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Experimente im Fortgeschrittenenpraktikum

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Unser Lehrstuhl bietet zahlreiche Experimente im Fortgeschritten Praktium an, welche alle nahe an der täglichen Arbeit in unseren Laboren sind. Sie ermöglichen euch einen ersten Eindruck von der Arbeit in der experimentellen Festkörperphysik und Oberflächenphysik zu bekommen.

Glühende Einkristallprobe während der Preparation (T > 1000°C), die LEED-Optik ist im Hintergrund zu erkennen.

Beugung langsamer Elektronen (engl.: low energy electron diffraction – LEED) ist eine alte, aber immer noch aktuelle Methode in der Oberflächenphysik und besitzt in Erlangen eine lange Tradition. Im Jahr 1927 wurde zum ersten Mal ein Beugungsbild von Elektronen beobachtet [1], woraus sich bis in die 60er Jahr des vergangenen Jahrhunderts eine ein Messverfahren zu Untersuchung von geordneten Oberflächenstrukturen etablierte [2]. Seitdem hilft die LEED-Methode zahllose Fragestellungen der Oberflächenphysik und -chemie zu beantworten.

In diesem Praktikum untersuchen Studierende die Selbstanordnung von Sauerstoff und Stickstoff auf der (100) Oberfläche eines Wolframeinkristalls. Hierfür können sie auf eine aktuelle LEED-Optik zurückgreifen, wie sie am FKP entwickelt wurde und nahezu unverändert von Firmen verkauft wird [3]. Darüber hinaus wird eine Einführung die Technik, die Handhabung und das Messen mit einer Ultrahochvakuumkammer (UHV-Kammer) gegeben. Im Zuge dessen werden klassische experimentelle Präparationsmethoden von Proben im UHV angewandt, hierzu zählen Hochtemperaturheizen und die kontrollierte Dosierung kleinster Gasmengen, angewandt.

 

[1]C. Davisson and L. H. Germer Phys. Rev. 30, 705 (1927)

[2] E. J. Scheibner, L. H. Germer, and C. D. Hartman, Rev. Sci. Instr. 31, 112 (1960)

[3] http://www.specs.de/cms/front_content.php?idcat=298 (access 13.08.18)

Anleitung und weitere Infomationen

https://www.fp.fkp.uni-erlangen.de/fortgeschrittenenpraktikum/versuchsangebot-fuer-bsclanf/bsc-versuchsgruppe-c.shtml

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Dieses Experiment wird mit einen Nanosurf STM durchgeführt. Die abgebildeten Ergebnisse sind während des Praktiums entstanden.

Die Rastertunnelmikroskopie ist eine der wichtigsten physikalischen Methoden zur Untersuchung der Morphologie und lokalen elektronischen Konfiguration von (halb-)leitenden Proben. Bereits in der der berühmten Vorlesung von R.P. Feynman “There´s plenty of room at the bottom” [1] trug postuliert er 1959 das zukünftige Forschergenerationen nicht nur auf atomarer Skala Effekte untersuchen, sondern diese sogar manipulieren können werden.
22 Jahre später verwirklicht sich Feynman´s Vision. Die Erfindung des Rastertunnelmikroskops (RTM), für welche dessen Urväter Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM in Zürich 1986 den Nobelpreis erhielten, ermöglicht erstmals die Messung der elektronischen Struktur einer Oberfläche auf atomarer Skala [2].

In diesem Praktikumsversuch sollen die Studenten verschieden Operationsmodi eines Standard-RTM (nanosurf [3]) kennenlernen und anwenden. Als Template dient ein Graphitkristall dessen Oberflächenstruktur (I(x,y,z)), Austrittsarbeit (I(z)) und Zustandsdichte (I(U)) erforscht wird.

[1] http://calteches.library.caltech.edu/1976/
[2] G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, and E. Weibel, PRL 49, 57 (1982)
[3] https://www.nanosurf.com/en/products/naiostm-stm-for-nanoeducation

Anleitung und weitere Infomationen

https://www.fp.fkp.uni-erlangen.de/fortgeschrittenenpraktikum/versuchsangebot-fuer-bsclanf/bsc-versuchsgruppe-c.shtml

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Masterversuch

Winkelaufgelöste Photoelektronen-Spektroskopie ist wohl die direkteste Methode zur Vermessung von elektronischen Bandstrukturen. Die zu untersuchende Probe wird hierfür unter Ultrahochvakuum-Bedingungen mit ultravioletter Strahlung beleuchtet. Ist die Photonenenergie größer als die Austrittsarbeit, werden Elektronen emittiert, die sogenannten Photoelektronen. Der im Versuch verwendete Halbkugelanalysator bestimmt die Rate der Photoemission mit einer bestimmten kinetischen Energie für einen festgelegten Raumwinkel. Da sowohl Energie- als auch Parallelimpulserhaltung gelten, lassen sich beide Observablen für den elektronischen Zustand vor der Photoemission, also die elektronische Dispersion entlang der Oberfläche, bestimmen.

Die Methode ist besonders nützlich für Untersuchungen an zweidimensionalen Materialien, die sich ständig wachsender Beliebtheit erfreuen, seit 2004 die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von Graphen entdeckt und vermessen wurden. Die ungewöhnlichen Transporteigenschaften haben ihren Ursprung in der speziellen Bandstruktur von Graphen, die im Fortgeschrittenen-Praktikumsversuch bestimmt wird. Valenz- und Leitungsbänder formen einen Kegel, die sich an der Fermi-Energie berühren. Konsequenzen dieser ungewöhnlichen Bandstruktur sind ein ungewöhnlicher Quanten-Hall-Effekt, der selbst bei Raumtemperatur beobachtet wird, und Klein-Tunneln. Für den Nachweis des ersteren Effekts wurde 2010 ein Nobelpreis vergeben. Im Rahmen des Fortgeschrittenen-Praktikumsversuches wird die Valenzbandstruktur mit winkelaufgelöste Photoelektronen-Spektroskopie vermessen.

Anleitung und weitere Infomationen

https://www.fp.fkp.uni-erlangen.de/advanced-laboratory-course/selection-of-experiments/focus-area-c.shtml

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