Modulbegleitendes Praktikum Festkörperphysik

Versuchsbeschreibungen und Anleitungen

• Resonante Tunneldioden
  Inhalt des Versuchs ist die Untersuchung von resonanten Tunneldioden. Resonantes Tunneln durch eine Doppelbarrierenstruktur beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt, der es ermöglicht, dass Ladungsträger dünne Barrieren - entgegen dem klassischen Verständnis - überwinden können.

  In diesem Praktikum werden resonante Tunneldioden aus Halbleitermaterialien (GaAs/AlAs) bei verschiedenen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 4,2 K vermessen. Mithilfe von Strom-Spannungs Kennlinien können verschiedene Eigenschaften der Proben untersucht werden.

  Anleitung

  Kontaktperson: Maximilian Mischke

• Röntgenphotoemission
  Die Analyse der Morphologie und elektronischen Eigenschaften von Grenz- bzw. Oberflächen erfolgt mit Hilfe verschiedener Methoden (z.B. XPS, UPS, LEED, STM, AFM).  Die Photoelektronenspektroskopie (XPS,UPS) stellt eine der wichtigsten Methoden zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung, der Bindungsverhältnisse und der elektronischen Eigenschaften von Grenz- bzw. Oberflächen dar.  Je nach Anregungsenergie der Lichtquelle hin unterscheidet man zwischen UPS ("Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy") hν = 5eV bis 41eV und XPS ("X-Ray Photoelectron Spectroscopy") hν =100eV bis 1500eV. Die Informationstiefe dieser Methode liegt nur zwischen 5Å und 30Å, das entspricht etwa 2 bis 15 Atomlagen. Dieses Abhängigkeit lässt sich andererseits gezielt einsetzten um beispielsweise die Schichtdicke von Adsorbaten zu studieren.  Neben der Bestimmung der Bindungsenergie von Primärstrukturen, sollen innerhalb dieses Versuches auch Sekundäreffekte, wie z.B. Ghost-peaks, Shake-up, Shake-off, näher studiert werden.

  Anleitung

  Kontaktperson: Sreeja K-Satheesh

• Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellen
  In diesem Versuch analysieren Sie industriell gefertigte Silizium-Solarzellen anhand von gemessenen  Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V-Kurven). Dabei lernen Sie die Funktionsweise von Silizium-Solarzellen kennen und gewinnen Erfahrungen im Gebiet der Halbleiterphysik. Darüber hinaus lernen Sie die Programmierumgebung LabView kennen, die in vielen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen zum Einsatz kommt. Im ersten Teil des Versuches messen Sie die I-V Kennlinie der Solarzelle im Dunkeln, um ihre Rekombinationseigenschaften zu untersuchen. Anschließend messen Sie die I-V-Kennlinie unter Beleuchtung, um den Wirkungsgrad sowie einige andere Parameter zu bestimmen und zu interpretieren. Um die Kennlinien computergesteuert aufnehmen zu können, programmieren Sie selber in LabView die Ansteuerung des Messaufbaus. Zur Durchführung des Versuchs steht Ihnen Messequipment zur Verfügung, wie es in Forschungslaboren und der Industrie verwendet wird.

  Anleitung

  Kontaktperson: Tobias Wietler

• Analyse der winkelabhängigen spektralen Lumineszenzemission von Silizium-Wafern
  Lumineszenzemission in Solarzellen ist der Umkehrprozess der Absorption von Licht unter Generation von elektrischen Ladungsträgern. Die Analyse der Lumineszenzemission gibt Aufschluss über verschiedene Eigenschaften der untersuchten Probe wie z.B. die Temperatur der Probe, Rekombination von Ladungsträgern oder die Rauhigkeit der Oberflächen.

  In diesem Versuch analysieren Sie die Photolumineszenzemission von Silizium-Wafern spektral aufgelöst und unter verschiedenen Detektionswinkeln. Dabei gewinnen Sie Erfahrungen im Gebiet der Halbleiterphysik. Außerdem erlernen Sie den Umgang mit Diodenarray-Spektrometern. Zur Durchführung des Versuchs steht Ihnen Messequipment zur Verfügung, wie es in Forschungslaboren und der Industrie verwendet wird.

  Anleitung

  Messdaten zur Berechnung der radiometrischen Korrekturfunktion

  Kontaktperson: Tobias Wietler

• Analyse de Quanteneffizienz von Solarzellen
  Die Quanteneffizienz von Solarzellen beschreibt, welcher Anteil der auf die Solarzelle treffenden Photonen Elektron-Loch-Paare erzeugt, die zum generierten elektrischen Strom beitragen. Sie ist damit ein Maß sowohl für optische als auch elektrische Verluste, die in der Solarzelle auftreten. Die Bestimmung der Quanteneffizienz für verschiedene Wellenlängen gibt darüber hinaus Aufschluss über die elektrischen und optischen Eigenschaften verschiedener Bereiche der Solarzelle. Aus diesem Grund ist die Messung der Quanteneffizienz ein wichtiges Charakterisierungsverfahren, das vielfach in der Photovoltaik-Forschung und Industrie zum Einsatz kommt. In diesem Versuch bestimmen Sie die Quanteneffizienz verschiedener Solarzellentypen und interpretieren die Messkurven. Dabei lernen Sie die Funktionsweise von Silizium-Solarzellen kennen und gewinnen Erfahrungen im Gebiet der Halbleiterphysik. Zur Durchführung des Versuchs steht Ihnen Messequipment zur Verfügung, wie es in Forschungslaboren und der Industrie verwendet wird.

  Anleitung

  Kontaktperson: Tobias Wietler

• Spindynamik in Halbleitern
  In diesem Versuch sollen Kenntnisse zur Halbleiterphysik, Optik und Spindynamik bei tiefen Temperaturen vermittelt werden. Ziel ist die Messung der Lebensdauer einer optischen Spinanregung im Magnetfeld in einem leicht mit Elektronen dotierten Halbleiter auf optischem Wege. Im ersten Teil des Versuches werden die optischen und polarisationsauflösenden Komponenten justiert. Anschließend kühlen Sie die Halbleiterprobe auf Heliumtemperatur ab und führen Untersuchungen bei tiefen Temperaturen durch. Analysiert wird die Intensität und die Polarisation der angeregten Photolumineszenz in Abhängigkeit eines von außen angelegten Magnetfeldes. Diese Methode ist bekannt als Hanle-Depolarisationsmessung.

  Anleitung

  Lasersicherheit

  Kontaktperson: Nico Eggeling

• Quanten-Hall-Effekt
  https://cmsv016g.t3luh.uni-hannover.de/?id=3400#52333Der Quanten-Hall-Effekt ist auch vier Jahrzehnte nach seiner Entdeckung Gegenstand der aktuellen Forschung. Insbesondere der fraktionale Quanten-Hall-Effekt ist in seiner theoretischen Beschreibung so anspruchsvoll, dass noch nicht alle experimentellen Ergebnisse verstanden sind.

  In diesem Praktikum werden die Grundlagen der Quanten-Hallphysik vorgestellt. Es wird ein Überblick über die Theorie gegeben sowie einen Einblick in die Probenherstellung. In eigenen Magnetotransportmessungen sollen die Eigenschaften der verwendeten Heterostrukturen untersucht und bestimmt werden.

  Anleitung

  Kontaktperson: Bei Zheng

• Bestimmung und Veränderung der Oberflächenmorphologie mit einem Rasterkraftmikroskop
  Mit einem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope - AFM) sollen verschiedene Oberflächen an Luft auf ihre Morphologie hin untersucht werden. Das AFM bietet zwar nicht die hohe Auflösung eines Rastertunnelmikroskops, ermöglicht jedoch die Untersuchung auch nichtleitender Materialien auf atomarer Skala.
  Der erste Teil des Versuchs dient der Einarbeitung in diese höchst empfindliche Messmethode. Im zweiten Teil können sowohl die Stufenstruktur von nichtleitenden Ionenkristallen und die Veränderung der Oberfläche durch die umgebende Atmosphäre bestimmt werden als auch gezielt Defekte eingebracht und vermessen werden.

  Anleitung

  Software

  Kontaktperson: Ilija Funk

• Kernspinresonanz in Festkörpern
  Die Kernspinresonanz (NMR) in Festkörpern wurde von E. Purcell und F. Bloch nahezu zeitgleich mittels unterschiedlicher Apparaturen im Labor entdeckt. Die Entdeckung führte zu spektroskopischen Methoden, die noch heute von Physikern, Chemikern, Geologen und Biologen benutzt wird, um Erkenntnisse über die mikroskopische Struktur der Materie zugewinnen. Eine Probe wird dazu in ein konstantes magnetisches Feld gebracht und elektromagnetische Wellen bestimmter Leistung und Energie eingestrahlt. Die Strahlung regt Übergänge zwischen Zuständen von Kernen im Material an, die elektrisch detektiert werden. Einzige physikalische Voraussetzung zur Anwendung dieser Methode ist dabei ein Kernspin ungleich null. Sie werden in diesem Versuch die Grundlagen der Kernspinresonanz selbstständig erarbeiten und mittels eines gepulsten Kernspinspektrometers praktische Erfahrungen im Labor sammeln. Auch die Untersuchung der räumlichen Struktur eigener Proben ist dabei möglich.

  Anleitung

  Kontaktperson: Kai Hühn

• Bestimmung der Oberflächenmorphologie mit einem Rastertunnelmikroskop
  Mit einem Rastertunnelmikroskop sollen verschiedene Oberflächen an Luft auf ihre Morphologie hin untersucht werden. Zur Einarbeitung stehen eine Goldaufdampfschicht und ein Graphitkristall mit frisch zu präparierender Oberfläche zur Untersuchung zur Verfügung; auf letzterem kann sogar an Luft eine atomare Auflösung erreicht werden. Im weiteren Verlauf des Versuches sollen andere Oberflächen (teilweise im Ultrahochvakuum) gezielt präpariert und dann mit dem STM charakterisiert werden.

  Anleitung

  Kontaktperson: Denis Uhland