Bachelor- und Masterarbeiten

Lächelnder Krebs mit Zylinder im Labor

Grafik: Christian Zwick

Information

Wir untersuchen umfassend die strukturellen und physikalischen Eigenschaften ultradünner hochgeordneter Schichten (sowohl Molekülfilme als auch 2D Materialien) auf unterschiedlichen einkristallinen Substraten, um die Grundlagen für zukünftige opto-elektronische Bauelemente zu schaffen.

Sie interessieren sich für eine Bachelor-, Master- oder Doktorarbeit? Dann vereinbaren Sie bitte per E-Mail (Prof. Dr. Torsten Fritz) einen Gesprächstermin. Wir werden dann gemeinsam mit Ihnen ein Thema finden, das zu Ihren speziellen Interessen und Fähigkeiten am besten passt und welches sich in unsere aktuelle Forschung eingliedert. Gerne können Sie auch schon in der vorlesungsfreien Zeit bei uns reinschauen und die Labore sowie die Kollegen kennenlernen.

Bachelor- oder Masterarbeit: Messen von Oberflächenphasendiagrammen

Schematisches Phasendiagramm von Tetracyanoethylen auf Cu(111) mit stehender und liegender Phase. Grafik: Reprinted from A. Werkovits et al. J. Phys. Chem. C 128, 3082 (2024). Copyright 2024 American Chemical Society.
Grafik: American Chemical Society

Wenn Moleküle auf eine Oberfläche aufgedampft werden, kann es vorkommen, dass verschiedene Phasen auf der Oberfläche entstehen, die sich in ihrer Struktur und anderen physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Je nach Anwendungsfall ist nur eine einzelne Phase mit ihren spezifischen Eigenschaften erwünscht, so dass die Probenherstellung genau kontrolliert werden muss.

Um die Bildungsmechanismen hinter verschiedenen Phasen zu verstehen, arbeiten wir eng mit einer Arbeitsgruppe aus Graz zusammen, die sich auf die Modellierung dieser Molekül-Oberflächen-Systeme spezialisiert hat.

Ziel der Arbeit ist es, die von der Grazer Gruppe berechneten Phasendiagramme experimentell zu überprüfen, um das bestehende Modell zu verifizieren. Dazu werden die Experimente in einer speziell dafür konstruierten Kammer durchgeführt, die Experimente nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht ermöglicht. Die entstehenden Strukturen werden mit niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) vermessen und ausgewertet, die Arbeit ist also besonders geeignet für Personen mit großem Interesse an Beugungsmethoden und Kristallographie.

Je nach Umfang der Arbeit (Bachelor- oder Masterarbeit) wird die Anzahl der Moleküle und Substrate angepasst.

Masterarbeit: „Spin me up before you go-go“: Chiralität trifft Bandstruktur

R-BINAP und S-BINAP.
Foto: Marco Grünewald

Die Kontrolle über die Spin-Polarisation von Elektronen ist für die Elektronik der nächsten Generation (sogenannte Spintronik) von sehr großem Interesse. Bisher wird dies häufig mit Hilfe von ferromagnetischen Materialien realisiert. Ein neuartiger Ansatz basiert auf der Verwendung chiraler Moleküle, welche auf Oberflächen abgeschieden werden. Solche Moleküle sind chemisch von der Strukturformel her identisch, jedoch zueinander spiegelsymmetrisch und somit nicht deckungsgleich. Wir haben bisher in der Arbeitsgruppe die strukturellen Eigenschaften von zwei verschiedenen chiralen Molekülen auf verschiedenen Oberflächen untersucht. Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen im nächsten Schritt geordnete Monolagen des Moleküls BINAP auf einer speziellen Oberflächenlegierung (Ag2Bi) untersucht werden. Diese weist eine besondere spinpolarisierte Bandstruktur auf, welche in Kombination mit der Chiralität der Moleküle spannende physikalische Erkenntnisse verspricht. Methodisch fokussieren wir uns in dieser Masterarbeit zum einen auf die Strukturaufklärung mittels Elektronenbeugung (LEED) und Rastertunnelmikroskopie (STM) zum anderen der Bestimmung der elektronischen Eigenschaften durch Nutzung der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (ARPES) in verschiedenen Laboren der Arbeitsgruppe.

Bachelor- oder Masterarbeit: „Smells Like Spin Spirit“ - Spinpolarisierte Bandstrukturen

Smells Like Spin Spirit: Laterale Struktur der α-Phase von Bi auf Si(111) und einer schematischen Darstellung der dazugehörigen spinpolarisierten Bandstruktur am M-Punkt.
Grafik: Maximilian Schaal

Die heutige Elektronik nutzt ausschließlich die Ladung von Elektronen als Informationsträger. Die zusätzliche Nutzung des Spins ermöglicht die Übertragung einer höheren Informationsmenge. Das Forschungsfeld, welches sich mit der Untersuchung des Spins als zusätzlichen Informationsträger beschäftigt, wird als Spintronik bezeichnet. Grundlage hierfür sind Materialien mit spinpolarisierten Bandstrukturen, wie z.B. Systeme mit Rashba-Effekt und topologische Isolatoren.

Im Rahmen dieser Graduierungsarbeit sollen zwei Phasen von Bi auf Si(111)-Einkristallen hergestellt werden, deren spinpolarisierte Bandstruktur bereits in der Literatur berichtet wurde. Das Zentrum der Untersuchung bilden Bandstrukturmessungen der Valenzbänder mittels winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES). Zudem können, je nach Art der Graduierungsarbeit, weitere Methoden der Oberflächenphysik genutzt werden, wie z.B. die Untersuchung des Wachstums der beiden Phasen mittels Beugung von hochenergetischen Elektronen in Reflektion (RHEED) und die Untersuchung der lateralen Struktur mittels niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Rastertunnelmikroskopie (STM).

Bachelor- oder Masterarbeit: „No Oxygen, No Cry” – Selbstorganisation von Pyren auf Metalloberflächen

No Oxygen, No Cry: Schematische Darstellung möglicher Strukturen von Py4O (links) und Pyrene (rechts). Die Sauerstoffe haben einen wesentlichen Einfluss auf die Ausbildung möglicher Strukturen.
Foto: Jonas Brandhoff

In Zusammenarbeit mit einer befreundeten Gruppe aus Graz wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit bereits das Molekül 4,5,9,10-Pyrentetron (Py4O) auf verschiedenen Substraten untersucht. Ziel ist es nun, das sauerstofflose Pyren als Vergleichssystem zu untersuchen. Da die Sauerstoffatome einen wesentlichen Einfluss auf die Strukturbildung haben, sind neue, bislang unbekannte strukturelle Motive zu erwarten.

Hierfür soll die Ordnung der Moleküle sowohl auf einer Kupfer- als auch auf einer Silberoberfläche untersucht werden. Es soll ein direkter Vergleich zwischen den Strukturen von Py4O und Pyren vorgenommen sowie Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Theorie diskutiert werden. Die Charakterisierung der Strukturen erfolgt mittels Low-Energy Electron Diffraction (LEED) sowie Scanning Tunneling Microscopy (STM) bei 5 K. In Kombination bieten diese Methoden die Möglichkeit, die Gitterparameter mit sub-Ångström-Genauigkeit zu bestimmen und den Inhalt der Einheitszelle aufzulösen.

Als Ausblick soll das Molekül hinsichtlich einer möglichen Konvertierung zu dem 2D-Material Graphen untersucht werden. Hierfür müssten verschiedene Heizschritte durchgeführt werden.

Für eine Masterarbeit würde der Umfang um die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften erweitert werden. Mittels Photoelektronenspektroskopie (PES) sollen dabei die besetzten Zustände des Moleküls sowie dessen Wechselwirkung mit dem Substrat aufgeklärt werden.

Bachelor- oder Masterarbeit: „The Borazine isn't alright“ - Unkonventionelle Herstellung von 2D hexagonalem Bornitrid

The Borazine isn't alright: Schematische Darstellung des unkonventionellen Herstel-lungsprozesses von h-BN.
Foto: Maximilian Schaal

2D-Materialien, wie z.B. Graphen oder 2D hexagonales Bornitrid (h-BN), sind von besonderem Interesse aufgrund ihrer besonderen und einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften, welche sich von ihren 3D Vertretern unterscheiden. Hierbei ist die Herstellung von 2D-Materialien mit hoher struktureller Qualität essenziell. 2D h-BN ist ein Isolator mit einer elektronischen Bandlücke von ca. 6 eV. Die laterale Kristallstruktur besteht aus einer hexagonalen Einheitszelle mit zweiatomiger Basis (Bor und Stickstoff) und wird auch als Honigwabenstruktur bezeichnet (ähnlich zu Graphen). Aufgrund der großen elektronischen Bandlücke wird 2D h-BN oft als Entkopplungsschicht verwendet.

Der/die Studierende soll im Rahmen dieser Graduierungsarbeit eine neue Methode zur Herstellung von 2D h-BN auf Ni(111)-Einkristallen untersuchen. Hierfür soll zunächst eine Nickelnitridschicht an der Oberfläche hergestellt werden, welche anschließend mit Boratomen aus dem Inneren des Nickelkristalls zu 2D h-BN reagiert. Die Nickelnitridschicht soll durch Ionenzerstäubung (Sputtern) mit N2 hergestellt werden. Die Diffusion von Boratomen an die Oberfläche erfolgt thermisch durch Heizen und anschließendes Abkühlen. Die strukturellen Eigenschaften der hergestellten h-BN-Schichten sollen mittels niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Rastertunnelmikroskopie (STM) untersucht werden, während die elektronischen Eigenschaften mittels Photoelektronenspektroskopie (PES) zu bestimmen sind.

Diese neue Herstellungsmethode bietet den Vorteil, dass keine giftigen und chemisch instabilen Moleküle, wie z.B. Borazin, benötigt werden, welche bei dem etablierten Herstellungsprozess verwendet werden.