Universität Stuttgart
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Item Open Access Colloidal monolayers on quasiperiodic laser fields(2010) Mikhael, Jules; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Quasicrystals are somewhat paradoxical structures which exhibit many amazing properties distinguishing them from ordinary crystals. Although the atoms are not localized at periodic positions, quasicrystals posses perfect long-range order. Until the early 1980s it was unanimously established that ordered matter is always periodic. Accordingly, the rotational symmetry in real space was thought to be limited to n=2,3,4 and 6. However more than a hundred complex metal alloys, for instance the discretely diffracting icosahedral AlPdMn or decagonal AlNiCo, have defied these crystallographic rules and self-organized into quasicrystals. Although the majority of the identified quasicrystals are complex metal alloys synthesized in the laboratory, recent experimental results proved that quasiperiodic order is not limited to metals. Matter also organizes itself aperiodically at larger length scales where thermal fluctuations play an important role. Recent experiments have shown that quasiperiodic order is also oberved in soft matter systems, such as micellars, polymers, and binary nanoparticles. Quasicrystals show many interesting properties which are quite different from that of periodic crystals. Accordingly, they are considered as materials with high technological potential e.g. as surface coatings, thermal barriers, catalysts or photonic materials. Quasicrystalline structures have been theoretically predicted also in systems with a single type of particles. Nevertheless, experimentally their spontaneous formation has been only observed in binary, ternary or even more complex alloys. Accordingly, their surfaces exhibit a high degree of structural and chemical complexity and show intriguing properties. In order to understand the origin of those characteristics it would be helpful to disentangle structural and chemical aspects which can be achieved by growing single-element monolayers to quasicrystalline surfaces. Apart from understanding how quasicrystalline properties can be transferred to such monolayers, this approach might allow fabrication of materials with novel properties. First heteroepitatic growth experiments on decagonal and icosahedral surfaces indeed demonstrate the formation of Pb, Bi and Sb monolayers with a high degree of quasicrystalline order as determined by low-energy electron diffraction and elastic helium atom scattering experiments. Compared to reciprocal space studies, only recently atomically resolved scanning tunneling microscopy investigations of the adsorbate morphology became possible. Even then, however, it is difficult to relate the structure of the adsorbate to that of the underlying substrate. In that respect, the study of the phase behaviour of colloidal particles interacting with quasiperiodic laser fields can throw new light on fundamental problems of broad interest in the physics of quasicrystals and in condensed matter physics. In fact colloidal systems are meanwhile established as excellent model for atomic systems and colloidal physics have demonstrated that such systems can give answers to many basic physics questions. Depending on the pair-interaction and the concentration, colloidal systems show analogues of all the states of atomic systems: gas, liquid and solid states. The mesoscopic size (nm-µm), the time scales (ms-s) and the tunability of the pair interaction in colloidal systems make them a convenient model system for experimental and theoretical studies. As a consequence, real space analysis by means of video microscopy allows tracking the trajectories of the individual particles and makes the time evolution of the system accessible in detail. Such information is inaccessible in systems investigated by diffraction experiments, as the scattering information is available only averaged over the scattering area. Because in a colloidal system there is direct access to real space information, the strength and nature of the different interactions, the origins of the complex phase behavior could be in different examples identified. In conclusion, the study of the rich phase behavior of colloidal suspensions provides ideal conditions for experimental and theoretical studies. In this Thesis, we report on a real-space investigation of the phase behaviour of charged colloidal monolayers interacting with quasicrystalline decagonal or tetradecagonal substrates created by interfering five or seven laser beams. Different starting configurations, such as dense fluid and triangular crystals with different densities, are prepared. At low intensities and high particle densities, the electrostatic colloidal repulsion dominates over the colloid-substrate interaction and the crystalline structure remains mainly intact. As expected, at very high intensities the colloid-substrate interaction dominates and a quasiperiodic ordering is observed. Interestingly, at intermediate intensities we observe the alignment of crystalline domains along the 5 directions of the quasicrystalline substrate. This is in agreement with observations of Xenon atoms adsorbed on the ten-fold decagonal Al-Ni-Co surface and numerical simulations of weakly adsorbed atomic systems. Intermediate phases are observed for colloid-substrate interactions strong enough to produce defects in the crystal. These defects adapt the form of rows of quadratic tiles. Surprisingly, for specific particle densities (at which the colloid-substrate interaction is minimized) we identify a novel pseudomorphic ordering. This intermediate phase which exhibits likewise crystalline and quasicrystalline structural properties can be described by an Archimedean-like tiling consisting of alternating rows of quadratic and triangular tiles. The calculated diffraction pattern of this phase is in agreement with recent observations of copper adsorbed on icosahedral AlPdMn surfaces. Interestingly, we also observe the formation of the same phase on tetradecagonal substrates also at densities for which the potential energy of the colloidal system is minimized. Although the structure can also be described by rows of triangles and rows of squares, a closer analysis reveals substantial differences. Here, large domains with almost periodic ordering are found. We show that this behavior is closely related to the low density of highly symmetric local motifs in the substrate potential. In the second part of this Thesis the conditions under which quasicrystals form are investigated. Currently, it is not clear why most quasicrystals hold 5- or 10-fold symmetry but no single example with 7 or 9-fold symmetry has ever been observed. Since the properties of quasicrystals are strongly connected to their atomic structure, a better understanding of their growth mechanisms is of great importance. In contrast to crystals which are periodic in all three dimensions, quasiperiodicity is always (except for icosahedral quasicrystals) restricted to two dimensions. Accordingly, three-dimensional quasicrystals are comprised of a periodic stacking of quasiperiodic layers and any hurdle in the formation of quasiperiodic order within a single layer will eventually prohibit their growth along the periodic direction. In this Thesis, we also report on geometrical constraints which impede the formation of quasicrystals with certain symmetries in a colloidal model system. This is achieved by subjecting a colloidal monolayer to N=5- and 7-beam quasiperiodic potential landscapes. Our results clearly demonstrate that quasicrystalline order is much easier established for N = 5 compared to N = 7. With increasing laser intensity we observe that the colloids first adopt quasiperiodic order at local areas which then laterally grow until an extended quasicrystalline layer forms. As nucleation sites where quasiperiodicity originates, we identify highly symmetric motifs in the laser pattern. We find that their density strongly varies with n and surprisingly is smallest exactly for those quasicrystalline symmetries which have never been observed in atomic systems. Since such high symmetry motifs also exist in atomic quasicrystals where they act as preferential adsorption sites, this suggests that it is indeed the deficiency of such motifs which accounts for the absence of e.g. materials with 7-fold symmetry. In addition to the fundamental aspects, we report in this Thesis on the fabrication of large colloidal quasiperiodic layers incorporated in a polymer hydrogel matrix. Because quasicrystals have higher point group symmetry than ordinary crystals, micrometer-scale quasicrystalline materials are expected to exhibit large and isotropic photonic bandgaps in the visible range. In our case, the quasiperiodic symmetries are induced using extended light fields. The reported gelled colloidal quasicrystals are unique in that they have large sizes as well as good optical uniformity. With laser diffraction the in situ variable length scale of such materials is demonstrated. In conclusion, we have studied the phase behavior of charged colloidal particles interacting with quasiperiodic laser fields. We showed that novel pseudomorphic growth can lead to the formation of a phase which exhibits likewise crystalline and quasicrystalline structural properties. We also performed unconventional measurements in order to understand why the formation of quasicrystals is limited to specific rotational symmetries. We have found that geometrical hurdles play a crucial role in the proliferation of quasiperiodicity and that such hurdles can hindered or even prohibited the formation of e.g. 7- or 9-fold symmetry. And finally, we have shown that the combination of extended light fields and hydrogel matrices leads to the formation of large quasiperiodically ordered colloidal materials.Item Open Access Einfluss paramagnetischer Defekte auf Transport und Rekombination in mikrokristallinem Silizium(2003) Bronner, Wolfgang; Mehring, Michael (Prof. Dr. rer. nat.)Dünne Halbleiterschichten haben ein großes technologisches Potential. TFT-Flachbildschirme oder Dünnschichtsolarzellen sind bereits etablierte Produkte auf dem Markt. Zu den aussichtsreichen Materialsystemen für derartige Anwendungen gehört mikrokristallines Silizium. Die Struktur von mikrokristallinem Silizium im Übergangsbereich vom amorphen zum einkristallinen Silizium ergibt fundamentale grundlagenphysikalische Fragestellungen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von mikrokristallinem Silizium. Ergänzend werden Untersuchungen an polymorphen Siliziumdünnfilmen vorgestellt. Ein breites Spektrum an experimentellen Methoden ermöglicht den Zugang zu vielseitigen Fragestellungen. Dabei handelt es sich um die konventionelle Elektronenspinresonanz (ESR) im Hochfeld, elektrisch detektierte ESR und um elektrooptische Experimente, wie das Experiment der modulierten Photoströme, die konstante Photostrommethode, die Methode des stationären Ladungsträgergitters und stationäre Photostrommessungen bei tiefen Temperaturen. Wie in dieser Arbeit anhand einer Computersimulation gezeigt wird, unterliegen die Ladungsträgerelektronen im mikrokristallinen Silizium einem Spinaustauschprozess. Bei tiefen Temperaturen erfolgt der Photostromtransport durch Energy-Loss Hopping auf Bandausläuferzuständen. Mit Hilfe der elektrisch detektierten ESR konnten Transport- und Rekombinationspfade in den Materialsystemen aufgeklärt werden. Das paramagnetischen Defekten dabei eine bedeutende Rolle zukommt, werden durch die Messungen an einer elektronenbestrahlten mikrokristallinen Probe untermauert.Item Open Access Getriebene kolloidale Monolagen auf lichtinduzierten Substratpotentialen(2013) Bohlein, Thomas; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Reibung lässt sich auf makroskopischer Längenskala durch das Amontonsche Gesetz beschreiben, welches besagt, dass Reibungs- und Normalkraft zueinander direkt proportional sind. Dieser einfache Zusammenhang beruht auf dem Scheren unzähliger Mikrokontakte, ein Mechanismus, der erst in den 1950er Jahren theoretisch verstanden und erst nach der Jahrtausendwende experimentell aufgelöst wurde. Um grundlegende Erkenntnisse über Reibung zu gewinnen, müssen allerdings die Mechanismen verstanden werden, die zum Brechen eines einzelnen Mikrokontakts führen, also Prozesse, die auf Längenskalen von Mikro- bis Nanometern ablaufen. Dies führte zur Entwicklung des Forschungsfelds der Nanotribologie, welches Reibung, Schmierung und Verschleiß auf der Nanoskala behandelt. Ein wichtiges theoretisches Werkzeug der Nanotribologie sind simplifizierte tribologische Modelle, wie das Tomlinson oder das Frenkel-Kontorova (FK) Modell. Das Tomlinson Modell beschreibt punktförmige Kontakte, für realistischere, d.h. ausgedehnte Kontaktgeometrien wird von theoretischer Seite das getriebene Frenkel-Kontorova Modell verwendet. Während die Vorhersagen des Tomlinson Modells durch Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop bestätigt wurden, existiert bisher kein experimentelles System, um das FK Modell detailliert zu studieren. Von besonderem Interesse sind hierbei sog. topologische Solitonen, die im Rahmen des Frenkel-Kontorova Modells vorhergesagt werden und welche einen effizienten Mechanismus für den Massentransport auf kleinen Längenskalen darstellen. Die gezielte Erzeugung und Manipulation topologischer Solitonen bietet eine Perspektive, Reibung auch auf der Nanoskala zu reduzieren. In dieser Arbeit wird die erste experimentelle Realisierung eines zweidimensionalen getriebenen Frenkel-Kontorova Modells verwirklicht. Hierfür dienen kolloidale Monolagen miteinander wechselwirkender Partikel, welche über stationäre lichtinduzierte Substratpotentiale getrieben werden. Der Aufbau erweist sich dabei als ideales Modellsystem, da nahezu alle relevanten Parameter in situ variiert werden können. Die geladenen Partikel wechselwirken repulsiv mittels eines Yukawa Potentials, dessen Reichweite über die Ionenkonzentration der Lösung kontrolliert wird. Die Interferenz mehrerer Laserstrahlen erlaubt es, ausgedehnte Lichtfelder mit mehreren zehntausend Minima zu erzeugen, welche als Substratpotential für die kolloidale Monolage dienen. Durch Änderung von Anzahl und Anordnung der Strahlen können sowohl periodische, als auch quasiperiodische Substratpotentiale generiert werden, deren Längenskalen durch Änderung des Einfallswinkels der Strahlen variiert werden können.Item Open Access Electrochemically addressable conducting polymer-based dynamic metasurfaces for spatiotemporal light control at visible frequencies(2025) Kaißner, Robin; Liu, Laura Na (Prof. Dr.)Item Open Access Chirale Trennung kolloidaler Teilchen in helikalen Flussfeldern(2013) Aristov, Maria; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)Die Händigkeit bzw. Chiralität von Objekten existiert in der Natur auf allen Längenskalen von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene. Diese geometrische Eigenschaft ausgedehnter Körper beinhaltet, dass das Spiegelbild mit dem Original nicht zur Deckung gebracht werden kann. Die Entdeckungen von Pasteur, die mehr als 150 Jahre zurückliegen, haben das Interesse an molekularer Chiralität und ihrer Einwirkung auf biologische Systeme geweckt. Es ist seither bekannt, dass Enantiomere, d.h. Moleküle, die unterschiedliche Händigkeit aufweisen, in einer chiralen Umgebung, z. B. einem lebenden Organismus, verschiedene Reaktionen bewirken. Chirale Komponenten chemischer Verbindungen unterscheiden sich unter anderem in ihren sensorischen Eigenschaften wie Geruch und Geschmack. So werden die Enantiomere von Limonen durch einen Orangen- bzw. Zitronenduft wahrgenommen. Während natürliche Stoffe meistens nur in einer Chiralität vorkommen, werden bei einer künstlichen Synthese beide Enantiomere typischerweise in gleichen Anteilen hergestellt. Die beiden Komponenten solcher racemischer Mischungen haben oft sehr unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf ihre physiologische Aktivität, ihren Wirkungsmechanismus, ihre Toxizität und Nebenwirkungen. Die Vermarktung eines Arzneistoffes als Racemat kann wie im Fall von Thalidomid zu dramatischen Folgen führen: ein als Schlaf- und Beruhigungsmittel verschriebenes Medikament führte zu schweren körperlichen Schäden bei Neugeborenen. Das Anwachsen der Aufmerksamkeit in Bezug auf chiralitätsspezifische Unterschiede in chemischer, biologischer und pharmakologischer Wirkung der Enantiomere veranlasste in vielen Ländern die Einführung gesetzlicher Richtlinien, die während der Entwicklung chiraler Arzneimittel eingehalten werden müssen. Dabei werden neben der quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung chiraler Arzneistoffe pharmakologische Untersuchungen beider Bestandteile verlangt. Daher ist die Entwicklung leistungsfähiger und zuverlässiger Separationsmethoden und Analysetechniken von zentraler Bedeutung bei der Herstellung von Arzneimitteln, Düngemitteln, Lebensmittelzusätzen und Duftstoffen. Enantiomerengewinnung erfolgt meistens durch Trennung einer racemischen Mischung, wobei hier eine Vielzahl von Methoden zur Auswahl steht. Die typischen Separationstechniken wie Chromatographie und Elektrophorese basieren auf der Verwendung homochiraler Phasen, die selektiv mit einem der Enantiomere reagieren. Die Suche nach einem passenden chiralen Selektor erfolgt in jedem einzelnen Fall nach einer zeitaufwendigen und kostspieligen „trial and error“ Methode. Eine vielseitig anwendbare, auch in kommerzieller Hinsicht interessante Separationstechnik konnte bisher nicht entwickelt werden. Das Konzept chiraler Trennung in mikrofluidischen Kanälen stellt eine attraktive Lösung gegenüber chemischen Verfahren dar. Das vor mehr als 20 Jahren gegründete Forschungsgebiet, das später als µTAS (engl.: Micro Total Analysis System) oder Lab-on-a-Chip bezeichnet wurde, hat sich in vielen Anwendungsgebieten der Chemie und Biologie etabliert. Darunter versteht man experimentelle Systeme, die auf einem wenige Zentimeter großen Chip angeordnet sind und dank ihrer vielfältigen Bauelemente zur Synthese und vollständigen Analyse kleinster Probenvolumen eingesetzt werden können. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Konzept zur Enantiomerentrennung in einem Modellsystem bestehend aus kolloidalen Suspensionen chiraler Teilchen in helikalen mikrofluidischen Strömungen demonstriert. Kolloidale Suspensionen werden oft als Modelle für molekulare und atomare Systeme verwendet. Wegen der vielfältigen Beeinflussungsmöglichkeiten mit äußeren Feldern, steuerbaren Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und definierter Form und Oberfläche einzelner Partikel finden sie vielseitige Anwendung im Bereich der Grundlagenforschung. Ein weiterer Grund für die Verwendung kolloidaler Teilchen als Modellsystem ist ihre mesoskopische Größe. Die Dynamik des Systems kann durch Verfolgung einzelner Teilchenbahnen mittels optischer Mikroskopie erfasst werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass Enantiomerentrennung ohne Verwendung chiraler Selektoren auf Mikrometerskala erreicht werden kann. Die Frage nach der Anwendbarkeit dieser Methode auf molekulare Systeme durch Skalierung des Kanals zu kleineren Dimensionen bleibt noch offen. Im Submikrometerbereich gewinnt Brownsche Bewegung zunehmend an Bedeutung, was vermutlich zur Zerstörung chiralitätsspezifischen räumlichen Aufteilung führen kann. Es kann jedoch erwartet werden, dass unsere Methode bei Verwendung kleinerer Kanäle mit optimierter Geometrie zur Trennung chiraler Objekte im Nanometerbereich eingesetzt werden kann.Item Open Access Präparation und elektrische Charakterisierung elektrostatisch gekoppelter Quantendotsysteme - eine Realisierung des Anderson-Störstellenmodells(2000) Wilhelm, Ulf; Klitzing, Klaus von (Prof. Dr.)Diese Arbeit beschäftigt sich mit Wechselwirkungseffekten zwischen stark elektrostatisch gekoppelten Elektronensystemen. Grundlage der Untersuchungen bilden elektrische Transportmessungen durch zwei parallel-geschaltete, elektrisch voneinander isolierte, Einzelelektronen-Tunneltransistoren (SET). Die verwendeten Proben basieren auf mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie gewachsenen GaAs-AlGaAs Heterostrukturen. Zur lateralen Strukturierung der beiden so definierten zweidimensionalen Elektronensysteme wurde ein Trockenätzverfahren (RIE) eingesetzt. Durch Optimierung der Probengeometrie und des Präparationsverfahrens konnten geätzte "Inplane-Gate"-SET-Strukturen realisiert werden, die sinnvolle Alternativen im Hinblick auf Qualität und Ladeenergie zu herkömmlichen Anordnungen mit Metallgates ("Split-Gate"-Anordnung) darstellen. Die demonstrierte getrennte Kontaktierung, die starke elektrostatische Kopplung der Elektroneninseln und die Möglichkeit eine starke Tunnelkopplung zwischen Elektroneninseln und Zuleitungen kontrolliert einzustellen sind unabdingbare Voraussetzungen für eine der Kernaussagen dieser Arbeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals das Anderson-Störstellen-Modell, ein aus der Kondophysik bekanntes Standardmodell, auf die Physik des rein elektrostatisch gekoppelten Doppel-SET-Systems angewandt. Es sagt eine spinlose Kondo-Resonanz im Bereich starker Tunnelkopplung zwischen Elektroneninseln und Zuleitungen voraus. Diese Vorhersagen konnten in unserem System bestätigt werden. Als Funktion der "Source-Drain"-Spannung ergibt sich ein Leitwertmaximum, die sogenannte Kondo-Resonanz. Eine maßgebliche Beteiligung von Spineffekten konnte experimentell ausgeschlossen werden. Die Ergebnisse bestätigen Untersuchungen an ungekoppelten Einzel-SET. Das hier vorgestellte System erweitert jedoch die Möglichkeiten der Untersuchung der den Effekt verursachenden korrelierten Prozesse erheblich.Item Open Access Current induced dynamic nuclear polarization : spintronics without magnetism(2009) Kaur, Gurneet; Denninger, Gert (Prof. Dr.)The present work deals with the study of Dynamic Nuclear Polarization (DNP), especially current-induced DNP, in III-V semiconductors such as InP and GaAs. Localized electron centres in these semiconductors have extended wavefunctions and exhibit strong hyperfine coupling with the nuclei in their vicinity. These interactions not only play a critical role in electron and nuclear spin relaxation mechanisms, but also enable nuclear polarization enhancement via DNP. The doping concentration and temperature range favourable for DNP effects was determined by studying these semiconductors with varying doping concentration in a wide temperature range. Under suitable conditions, DNP enhancement by more than two orders of magnitude was observed by microwave saturation of electron spin transitions in InP. Additionally, we report the first experimental observation of electric-current induced DNP in InP. This is consistent with model predictions in zinc-blende semiconductors with strong spin-orbit effects. This provides a promising possibility to generate spin polarization by means of electric current and hence is an important step towards an "all electric spintronic device". Analogous to the spin Hall effect, the "spin Gunn effect" was proposed theoretically in III-V semiconductors recently. A small spin polarization is expected to grow and lead to spin polarized domains within the Gunn regime. If demonstrated experimentally, the spin Gunn effect can open a wide range of possibilities in the field of spintronics. We investigated the possible existence of spin Gunn effect in InP and GaAs by means of pulsed NMR measurements. From our measurements we conclude that the electron spin polarization and the resulting DNP effects appear to be much smaller than the theoretical predictions.Item Open Access Kritischer Casimir-Effekt in kolloidalen Modellsystemen(2012) Zvyagolskaya, Olga Valerevna; Bechinger, Clemens (Prof. Dr.)In dieser Arbeit wird eine neuartige, in kolloidalen Systemen existierende Wechselwirkung, die kritische Casimir-Wechselwirkung, untersucht. 1978 wurde von Fisher und de Gennes eine attraktive fluktuationsinduzierte Wechselwirkung zwischen den in binären kritischen Flüssigkeiten suspendierten Oberflächen vorhergesagt. Erst vor kurzem konnte diese Wechselwirkung erstmalig an einem kolloidalen System experimentell direkt nachgewiesen werden. Die kritische Casimir-Wechselwirkung ist eine Wechselwirkung, die in binären kritischen Mischungen induziert werden kann und extrem sensitiv sowohl von der Temperatur der Probe als auch von der Beschaffenheit der wechselwirkenden Oberflächen abhängt. Kritische Casimir-Kräfte werden in der Nähe des kontinuierlichen Phasenübergangs durch das Eingrenzen der thermischen Fluktuationen des Lösungsmittels induziert. Dadurch wird eine erhebliche Änderung des effektiven Paarpotentials zwischen den kolloidalen Teilchen hervorgerufen. Die kritischen Casimir-Kräfte können durch minimale Temperaturänderungen eine kolloidale Suspension zur Flokkulation bringen. Sowohl die Amplitude als auch das Vorzeichen der induzierten Kräfte lassen sich dabei flexibel anpassen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Anwendung der kritischen Casimir-Kräfte in kolloidalen Modellsystemen zu untersuchen. In Kapitel 2 werden dazu die theoretischen Grundlagen des kritischen Casimir-Effekts erklärt und die wesentlichen Experimente diskutiert, die zur Untersuchung der kritischen Casimir-Wechselwirkungen bereits durchgeführt wurden. Außerdem werden weitere, für das verwendete experimentelle System relevante kolloidale Wechselwirkungen erläutert. Kapitel 3 befasst sich mit den experimentellen Aufbauten, die zur Generierung der kritischen Casimir-Wechselwirkungen in kolloidalen Systemen erforderlich sind. In Kapitel 4 werden experimentelle Ergebnisse präsentiert, welche eine kontrollierte Aggregation in kolloidalen Systemen mittels der kritischen Casimir-Wechselwirkung demonstrieren. Weil das Vorzeichen der kritischen Casimir-Wechselwirkung von Adsorptionseigenschaften der wechselwirkenden Oberflächen abhängt, bietet sich die Möglichkeit, die laterale Bewegung der kolloidalen Teilchen auf chemisch strukturierten Substraten lokal einzuschränken. Auf diese Weise können kolloidale Systeme manipuliert werden, indem sowohl einzelne kolloidale Teilchen festgehalten als auch mehrere kolloidale Teilchen kontrolliert angeordnet werden. In Kapitel 5 wird ein Modell einer binären Flüssigkeit mithilfe eines zweidimensionalen zweikomponentigen kolloidalen Systems realisiert. Die ausschlaggebenden Wechselwirkungen im System sind dabei die kritischen Casimir-Wechselwirkungen, die in einer homogenen Mischung aus zwei Kolloidsorten, die jeweils einen Unterschied in der Oberflächenadsorptionspräferenz aufweisen, eine Phasenseparation erzwingen können. Das Phasenverhalten des Systems wird durch eine minimale Variation der Temperatur, die eine Änderung der effektiven Wechselwirkungen zwischen den kolloidelen Teilchen hervorruft, sowie durch eine Variation der Zusammensetzung der kolloidalen Mischung untersucht. Dabei kann das mithilfe einfacher Modelle theoretisch vorhergesagte Phasenverhalten des Systems durch experimentelle Ergebnisse bestätigt werden. In Kapitel 6 werden die Mechanismen der Selbstorganisation der kolloidalen Teilchen mithilfe der kritischen Casimir-Kräfte um einen Schritt erweitert, indem auch eine chemische Strukturierung der Kolloidoberflächen vorgenommen wird. Kolloidale Teilchen, die auf ihrer Oberfläche Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen, werden als Janus-Teilchen bezeichnet. Zwischen solchen kolloidalen Teilchen können richtungsabhängige Wechselwirkungen induziert werden, die ein reiches Phasenverhalten bei der Selbstorganisation der kolloidalen Teilchen versprechen. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse zeigen anhand mehrerer Beispiele die vielseitige Anwendbarkeit des kritischen Casimir-Effekts in kolloidalen Systemen. Unter Ausnutzung des Effekts können kolloidale Systeme effizient manipuliert werden. Dabei können sowohl kolloidale Modellsysteme im Bereich der Grundlagenforschung als auch praktische Anwendungen zur Herstellung kolloidaler Strukturen mit einer vorgegebenen Geometrie kreiert werden.Item Open Access NMR investigations on alkali intercalated carbon nanotubes(2005) Schmid, Michael; Mehring, Michael (Prof.)In the present work, nuclear magnetic resonance (NMR) experiments were carried out on Lithium and Cesium intercalated single-walled carbon nanotube (SWNT) bundles. The alkali metals were intercalated in raw SWNT as starting material. The raw nanotubes are supposed to possess closed end caps whereby possible alkali adsorption sites are only provided by the interstitial channels as well as the surface of a carbon nanotube bundle. The interior space of the present SWNT is supposed to be predominantly inaccessible for penetration by alkali atoms. Lithium was chemically intercalated in SWNT bundles by using solutions of aromatic hydrocarbons, the solving agent tetrahydrofuran (THF) and SWNT. 13C NMR measurements enabled to follow the density of states at the Fermi level for various Li intercalation stoichiometries. Generally, pristine SWNT consist of a mixture of metallic and semiconducting SWNT. Upon intercalation and subsequent Li-C electron charge transfer the Fermi level is tuned. The intercalated system reveals a pure metallic behavior and a signature for semiconducting SWNT cannot be found any more. However, at higher Li intercalation stoichiometries an incomplete electron charge transfer is observed. 7Li NMR experiments show the presence of two types of Li-nuclei with different environments in the SWNT bundles: at low intercalation levels first, completely ionized alpha-type Li ions are intercalated, whereas at higher stoichiometries a second type of partially ionized beta-type Li is adsorbed by the SWNT host. The above sketched charge transfer limitation is explained by the presence of partially ionized Li(beta)+ ions, which show a hybridization of the Li(2s) orbitals with the SWNT C(2p) orbitals. 7Li NMR demonstrates a remarkable Knight shift for these beta-type Li nuclei as well as a strong hyperfine coupling to SWNT conduction electrons. The alpha-type Li+ ions exhibit a high-temperature dynamical process which is interpreted as a Li(alpha)+ cation diffusion along the interstitial channels of the SWNT bundles. 1H NMR investigations were carried out in order to investigate the role of the THF solvent molecules. The experiments provide evidence for the existence of two types of inequivalent THF solvent molecules. They are most likely coupled by a thermally activated exchange process. At temperatures below 300 K, THF molecules are perpendicularly arranged in between adjacent SWNT and exhibit an axial rotation around their dipolar axis. The Li+ cations are located halfway between adjacent SWNT and pin the oxygen-(THF) atoms to their immediate neighborhood. Above room temperature, THF molecules detach from the SWNT and start to isotropically rotate and diffuse along the interstitial channels of the SWNT bundles. Remarkable diamagnetic shifts of the 1H NMR lines can be explained with an extremely large diamagnetic shielding of the carbon nanotube bundles since the SWNT exhibit highly anisotropic diamagnetic susceptibilities. Various stoichiometries of vapor phase Cs intercalated SWNT bundles were investigated. 13C NMR MAS and MAT experiments show the presence of two different types of carbon environments in all intercalated samples. The two carbon environments can be explained with the finite size effect and therewith the bulk- and surface susceptibility of the SWNT bundles as well as a localized density of states due to Cs ions located close to SWNT. Comparable to Li intercalation in SWNT, 13C NMR spin-lattice relaxation measurements enabled to determine the density of states at the Fermi level. The increase of the density of states upon intercalation enhances the metallicity of the SWNT system and no semiconducting SWNT are observable any more. However, at higher intercalation levels a Cs-C electron charge transfer limitation is observed. 133Cs NMR measurements indicate the presence of two coexisting types of Cs ions intercalated in the SWNT bundle. At low intercalation levels fully ionized Cs(alpha)+ ions are exclusively intercalated, whereas at higher Cs stoichiometries a second type of Cs(beta)+ ions is additionally intercalated in the SWNT bundle. The Cs(alpha)+ ions exhibit a thermally activated slow-motion diffusion process along the interstitial channels of the SWNT bundle as well as an inter-channel diffusion perpendicular to the SWNT bundle. The Cs(beta)+ ions are only subject to a weakly temperature dependence of the electric field gradient at the site of the Cs nuclei which suggests a highly structural molecular Cs. Possibly the Cs+ ions occupy well defined atom positions relative to the carbon lattice covering the SWNT fragmentarily. 133Cs NMR Korringa relaxation behavior and Knight shifts suggest a Cs(6s) - C(2p) hybridization for the Cs(beta)+ ions which explains the observed charge transfer limitation at higher Cs stoichiometries.Item Open Access Mikrowellenabsorption zur Leitfähigkeitsbestimmung von Supraleitern(2004) Nebendahl, Bernd; Mehring, Michael (Prof. Dr.)Diese Arbeit führt die neue Methode der Mikrowellenabsorption in das Gebiet der Temperatur und Magnetfeld-abhängigen Hochfrequenzleitfähigkeit ein. Mikrowellenabsorption wurde für die Hochtemperatursupraleiter eingeführt nachdem klar wurde, dass diese Methode die bisher einzige Methode ist, die es erlaubt die Ergebnisse der Leitfähigkeit zu Magnetfeldern weit jenseits der experimentell zugänglichen Felder zu extrapolieren. Die Leitfähigkeit für normale Leiter ist im allgemeinen durch das Ohm'sche Gesetz beschrieben. Diese Beschreibung wird für Supraleiter vom Typ II verfeinert. Von besonderem Interesse ist hierbei die Feld- und Temperaturabhängigkeit der komplexen AC-Leitfähigkeit im Fall statischer oder sich bewegender Flusslinien. Nach einem ersten allgemeinen Kapitel werden die theoretischen und experimentellen Details entwickelt die notwendig sind Messungen durchzuführen und zu interprestieren. Die Methode des gefüllten Resonators wird verglichen mit anderen Methoden wir DC- oder AC-Widerstandsmessungen sowie mit nichtresonanten Reflektions- oder Transmissionsmessungen und Endplattenmethoden. Für den gefüllten Resonator ist es notwendig die experimentellen Daten Resonanzfrequenz und Güte mit der intrinsischen komplexen Leitfähigkeit zu verbinden. Verschiedene Methoden wie die direkte analytische oder numerische Berechnung sowie störungstheoretische Methoden werden bzgl. Aufwand und Einschränkungen in Bezug auf Probengeometrie und Leitfähigkeit verglichen. Im nächsten Teil wird die experimentelle Methode beschrieben, ausgehend von dem Problem wie die Resonanzfrequenz eines Resonators schnell und mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Die vorgeschlagenen Methode benutzt eine modulierte Quellen, deren Signal durch den Resonator transmisttiert wird. Die transmittierte Leistung wird von einer Mikrowellendiode gemessen. Die Leistungsmodulation wird mit einem Lock-In Verstärker nachgewiesen. Die höheren Harmonischen werden verwendet um die Güte zu bestimmen, wobei die fundamentale Modulation zur Frequenzstabilisierung der Quelle verwendet wird um mit einer Frequenzmessung der Quelle die Resonanzfrequenz zu bestimmen. Die Ausdrücke für die Modulation werden für den quasistatischen Fall entwickelt und lönnen in dieser From zur Gütebestimmung verwendet werden. Die Einschränkungen der quasistatischen Beschreibung werden untersucht. Nach dem experimentellen Teil werden die Ergebnisse des theoretischen Teils diskutiert. Dieser Teil ist aufgeteilt in einen ersten Teil, in dem die Metjode beschrieben wird, wie aus den Messdaten Leitfähigkeiten bestimmt werden und wie Fehler der Messdaten und der Parameter der Inversion das Ergebnis beeinflussen. Im zweiten Teil wird die numerische Methode beschrieben, die verwendet wird um die Ergebnisse im Rahmen des Modells der effektiven Leitfähigkeit zu verstehen. Im letzen Teil werden die Ergebnisse dargestellt und verglichen. Beginnend mit Mb werden die Effekte der Filmdicke für drei verschiedenen Dicken gezeigt. Nach dem Vergleich werden Schlüsse gezogen. Diese Filme zeigen abhängig von der Dicke mehr oder weniger stark ausgeprägte Geometrieeffekte. Falls die Filmdicke kleiner als die Kohärenzlänge ist, wird diese reduziert was zu einem grösseren kritischen Feld führt. Ausserdem wird der supraleitende Übergang breiter und die Übergangstemperatur selbst wird zu tiefen Temperaturen hin verschoben. Zusätzlich werden Fluktuationen durch die Reduktion der Dimensionalität sichtbar. Die Ergebnisse dür die YBCO Filme zeigen diese Effekte nicht, denn deren Kohärenzlänge ist immer kleiner als die Filmdicke. Trotzdem ist das Material interessant, denn es zeigt, dass die Methode tatsächlich in der Lage ist obere kritische Felder zu bestimmen, die größer als die experimentell zugänglichen sind.