Physikalisches Institut

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Heinrich F. Arlinghaus – Massenspektrometrie und Oberflächenphysik

Illustration Arlinghaus

Durch den Beschuss mit Ionen werden aus einer Festkörperoberfläche atomare und molekulare Bestandteile als Sekundärteilchen freigesetzt. Die dabei entstehenden Sekundärionen sowie die durch Laserstrahlung nachionisierten Sekundärneutralteilchen können anschließend in einem Flugzeit-Massenspektrometer getrennt und identifiziert werden (s. schematische Abbildung). Mit Hilfe der so genannten Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) und der Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie mit Lasernachionisierung (Laser-SNMS) lassen sich an unterschiedlichsten Festkörperoberflächen deren chemische Zusammensetzung in allen drei Raumrichtungen mit Ortsauflösungen im Nanometerbereich bestimmen.

In unserer Arbeitsgruppe werden mit Hilfe dieser oberflächenanalytischen Verfahren Fragestellungen aus den Bereichen Life Sciences, Nanotechnologie und Tribologie bearbeitet. Mit derzeit fünf Analyseapparaturen gehört diese Abteilung zu den weltweit größten universitären Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Sekundärteilchenmassenspektrometrie.

Die Ausbildung von Studierenden und die damit verbundene Anfertigung von Bachelor- und Masterarbeiten sowie von Dissertationen erfolgt im Rahmen aktueller Arbeitsschwerpunkte unserer Forschungsaktivitäten, die im Folgenden kurz vorgestellt werden.

Life Sciences/Nanotechnologie (Martin Körsgen und Marcel Heeger)

Wie am Beispiel der derzeitigen Diskussion um die potentielle Toxizität von Nanopartikeln oder bei der Neuentwicklung von Krebstherapeutika deutlich wird, gewinnt für die medizinische Forschung die Lokalisierung spezifischer Elemente und Moleküle mit hoher räumlicher Auflösung sowie hoher Sensitivität und Effizienz in Geweben und Zellen zusehends an Bedeutung. Hierfür ist insbesondere die Kombination der oben erwähnten Analyseverfahren zielführend.

Arbeitsschwerpunkte für mögliche Abschlussarbeiten sind hier die Geräteentwicklung zur Optimierung der Analysebedingungen, die Entwicklung geeigneter Präparationsmethoden biologischer Probensysteme, sowie die Erforschung der Grundlagen von der Zerstäubungs- und Ionisationsdynamik sekundärer Neutralteilchen.

Tribologie (Kristina Wältermann, Lukas Britt und Dennis Mallach)

Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander wirkenden Oberflächen in Relativbewegung. Sie umfasst das Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß, einschließlich Schmierung. Nach Angaben der deutschen Gesellschaft für Tribologie entsteht in Deutschland durch Reibung und Verschleiß ein jährlicher Schaden von ca. 35 Milliarden Euro.

Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer tribologischer Systeme wird von Schmierstoffen sowie von Schmierstoffadditiven auf entscheidende Art und Weise beeinflusst. Allerdings ist die Funktionsweise vieler eingesetzter Additive heute nur unzureichend geklärt; ein tiefergehendes Verständnis der Wechselwirkung von Schmierstoffadditiven mit Reibkörperoberflächen kann daher entscheidend zur Optimierung tribologischer Systeme beitragen. Mit Hilfe der ToF-SIMS können die hierzu benötigten Einblicke in das Anlagerungsverhalten von Additiven an Reibkörperoberflächen gewonnen werden.

Wir untersuchen in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit ingenieurwissenschaftlichen Instituten sowie mit unterschiedlichen Herstellern aus dem Bereich der Automobil- und Schmierstoffindustrie Additivwechselwirkungen in unterschiedlichen automobilen Anwendungsfeldern wie beispielsweise Automatikkupplungen, Schaltgetrieben oder Zahnrädern.

Arbeitsschwerpunkte für mögliche Abschlussarbeiten sind hier massenspektrometrische Untersuchungen der Anbindungscharakteristik ausgewählter Additive an Stahloberflächen unter verschiedenen äußeren Bedingungen wie beispielsweise der Temperatur.


Weitere Informationen erhalten Sie auf unserer Internetseite oder bei einem persönlichen Gespräch mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Arbeitsgruppe. Tiefer gehende Einblicke bekommen Sie auch bei einem „Schnuppertag“ in unseren Laboren in der 4. Etage der IG I. Um das für Sie passende Thema zu finden, kontaktieren Sie bitte Heinrich Arlinghaus (arlinghaus@wwu.de; (0251) 83-39064) oder Dieter Lipinsky (lipinsk@wwu.de; (0251) 83-36346).

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Markus Donath – Spin phenomena in low-D systems

Mit dem Spin zur effizienten Elektronik: Spinabhängige elektronische Struktur magnetischer Nanosysteme und niederdimensionaler Systeme

Der Spin ist der Eigendrehimpuls des Elektrons, er ist unter anderem für den Magnetismus verantwortlich. Derzeit spielen magnetische Phänomene in großen Bereichen der Informationstechnologie eine bedeutende Rolle. So dienen magnetische Schichten beispielsweise als Datenspeicher, magnetische Leseköpfe finden sich in den Festplatten handelsüblicher PCs und Laptops. Will man elektronische Bauteile energiesparender bauen, die Datendichte und die Geschwindigkeiten der Datenverarbeitung erhöhen, führt kein Weg an der Nanophysik vorbei. Für eine besonders effiziente Elektronik möchte man neben der elektrischen Ladung der Elektronen auch ihren Spin als Informationsträger nutzen. Diese neue Art der Informationsverarbeitung wird Spinelektronik oder kurz Spintronik genannt.

Unsere Arbeitsgruppe ist auf das Gebiet der spinaufgelösten Elektronenspektroskopien spezialisiert. Wir sind Phänomenen auf der Spur, mit deren Hilfe man die mikroskopischen Eigenschaften des Spins auf makroskopischer Skala ausnutzen kann. Auf diese Weise eröffnen sich Wege für neue Anwendungen in der Informationsverarbeitung.

Auch in unmagnetischen Materialien kann der Elektronenspin eine wichtige Rolle spielen. Hier stehen derzeit Oberflächenlegierungen im Zentrum des Interesses, bei denen schwere Elemente wie Bismut, Thallium oder Blei in die obersten Atomlagen von Metallen wie Kupfer oder Gold oder auch Halbleitern wie Silizium oder Germanium eingelagert sind. Dabei „spüren“ die Elektronen, dass sich auf der einen Seite ein fester Köper, auf der anderen Seite Vakuum befindet. Dies kann zur Folge haben, dass die Ausrichtung des Elektronenspins direkt mit der Richtung des elektrischen Stroms verknüpft ist. Solch eine Eigenschaft verspricht Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Spintronik.

Aufwändige Methoden zur Präparation des Elektronenspins

Experimente mit spinpolarisierten Elektronen erlauben einen direkten experimentellen Zugang zur spinabhängigen elektronischen Struktur magnetischer und unmagnetischer Systeme. Hierzu werden entweder spinpolarisierte Elektronen als Projektil benutzt oder die Spinpolarisation von der Probe emittierter Elektronen detektiert. Spinaufgelöste direkte und inverse Photoemission bieten Information über besetzte und unbesetzte Zustände. Beide Arten von Experimenten sind sehr aufwändig und werden daher weltweit in nur wenigen Gruppen durchgeführt. Methoden zur Präparation und Charakterisierung der Proben hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, kristallografischer Ordnung und magnetischer Eigenschaften komplettieren das Spektrum der in der Arbeitsgruppe vorhandenen Analytik.

Bei unseren Forschungen und Experimenten arbeiten wir eng mit anderen Forschergruppen im In- und Ausland, zum Beispiel aus der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Universität im japanischen Hiroshima zusammen. Finanziert werden die umfangreichen Arbeiten unter anderem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Themenvorschläge für Bachelor- und Masterarbeiten finden Sie auf unserer Internetseite. Sie können uns auch gerne direkt kontaktieren (zum Beispiel per E-Mail markus.donath@uni-muenster.de) oder Sie kommen einfach vorbei: Gebäude IG I, 4. Stock, Nordseite. Alle Mitglieder der AG Donath geben gerne Auskunft.

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Helmut Kohl – Elektronenmikroskopie

Grenzschicht von kristallinem Silizium (110) zu amorphem Silizium.
Beispiel eines Elementverteilungsbildes: Die linke Hälfte zeigt das ungefilterte Bild, die rechte Hälfte das Chromsignal.

Die Information in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme beruht auf der Wechselwirkung der Elektronen im Objekt. Dabei spielen unterschiedliche Mechanismen eine Rolle. Aus der Winkelverteilung der elastisch gestreuten Elektronen (Elektronenbeugung) kann man Rückschlüsse auf die Kristallstruktur ziehen. Bildet man diese Elektronen mit Hilfe einer Elektronenlinse vergrößert ab, so lassen sich atomar aufgelöste Bilder erzeugen. Energieverluste der Elektronen durch unelastische Streuung geben Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der Probe. Weitere Informationen über die chemische Zusammensetzung liefert die aus der unelastischen Streuung resultierende Röntgenstrahlung. Auch rückgestreute Elektronen, sowie Sekundärelektronen werden zur Bilderzeugung verwendet. Die Kombination aus verschiedenen Methoden wird genutzt, um neue Erkenntnisse über die untersuchte Probe zu erhalten.

Die Arbeitsgruppe befasst sich mit der Erforschung der physikalischen Grundlagen der Elektronenmikroskopie. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verbesserung der Verfahren zur quantitativen Auswertung elektronenmikroskopischer Aufnahmen. Viele Untersuchungen werden in Kooperation mit anderen Instituten durchgeführt. Zu den Kooperationspartnern zählen die Materialphysik, die Medizinische Physik und Biophysik, die Mikrobiologie, die Mineralogie und die Festkörpertheorie. Sehr vielfältig ist dadurch das Spektrum von Themen für Abschlussarbeiten. So kann man sich sowohl rein experimentellen Themen widmen, als auch an Untersuchungen mit starken Bezügen zur Theorie mitarbeiten. Von der Präparation der Probe über die Bestimmung von Geräteparametern und der Auswertung von Bildserien bis hin zu Simulationsrechnungen bietet die Arbeitsgruppe eine abwechslungsreiche Themenauswahl. Vorschläge für Themen einer Bachelorarbeit sind auf der Seite der AG zu finden, auf eigene Ideen wird aber auch gerne eingegangen.

Homepage AG Kohl

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Wolfram Pernice – Responsive Nanosysteme

Illustration Quantenoptik

Nanophotonik und integrierte Optik

Für optische Quantentechnologien und Präzisionsmessungen in der Metrologie werden in der Arbeitsgruppe nanophotonische Systeme entwickelt. Diese weisen Strukturgrößen weit unterhalb der optischen Wellenlänge auf und werden mit modernen Methoden der Nanostrukturierung wie der Elektronenstrahllithographie erzeugt.

Analog zu Leiterbahnen in der Elektronik übernehmen Wellenleiter die Verteilung optischer Signale auf Chipebene. Während mit solchen integrierten optischen System traditionell Anwendungen in der Telekommunikation und Datenverarbeitung untersucht werden, interessiert uns besonders der Übergang zur Optik mit einzelnen Photonen. Mit deren Hilfe lassen sich optische Quantencomputer und Quantensimulatoren realisieren. Die dafür notwendigen höchstempfindlichen Detektoren, Quellen und Manipulationsinstrumente werden mit Hilfe der Nanotechnologien im Reinraum gefertigt.

Zur Messung einzelner Photonen werden supraleitende Nanodrähte eingesetzt, die auf die Oberfläche von Wellenleitern integriert werden. Diese neue Art von Detektor bietet höchste Zeitauflösung und vernachlässigbares Rauschen. Besonders wichtig ist jedoch, dass mit unseren Möglichkeiten viele Detektoren in ein System integriert werden können, um damit eines der zentralen Probleme der Quantenoptik zu umgehen, nämlich die Skalierbarkeit. Mit diesen Detektoren werden fundamentale Einheiten optischer Quantenrechner realisiert und langfristig zu komplexen Systemen zusammengesetzt.

Illustration Optomechanik
Illustration Optischer Speicher

Optomechanik

In freistehenden Wellenleitern nutzen wir aus, dass Photonen nicht nur Energie übertragen, sondern auch Impuls. In kleinsten Strukturen im Nanometerbereich reicht dieser aus, um mechanische Schwingungen auf Chipebene anzuregen. Auf diese Weise lassen sich mechanische Freiheitsgrade in traditionell passiven optischen Strukturen einsetzen, um Präzisionsmessungen durchzuführen oder durchstimmbare Elemente zu realisieren. Wir fertigen optomechanische Nanostrukturen aus neuen Materialien wie z. B. Diamant, um kleinste Bewegungen auf der Skala von Atomkernen aufzulösen. Anwendungen bieten sich in der Sensorik und Metrologie, aber auch für die Quantenphotonik.

Optische Speicher und neuromorphes Rechnen

In der Mehrzahl heutiger Rechner sind Prozessor und Speicher räumlich getrennt, sodass Daten kontinuierlich zwischen Speicher und CPU hin- und hertransferiert werden müssen. Dieser Transfer limitiert die tatsächliche Rechengeschwindigkeit und führt zum sogenannten von Neumann-Flaschenhals. Wir entwickeln alternative Rechenarchitekturen auf der Basis von nanophotonischen Schaltkreisen, in die Phasenübergangsmaterialien integriert werden. Mit solchen Strukturen lassen sich unter Verwendung kurzer Laserpulse beliebige Zustände optisch speichern und auslesen. Im Unterschied zu von Neumann-Rechnern wird jedoch die Datenspeicherung und -verarbeitung im selben Element durchgeführt. Indem mehrere Elemente zu Netzwerken verschaltet werden, lassen sich dadurch neue optische Rechner realisieren, die dem Gehirn nachempfunden sind. Wir entwickeln die optischen Nanostrukturen, Netzwerkarchitekturen und Manipulationstechniken, die dafür vonnöten sind.


In allen Themenbereichen bieten wir Bachelor- und Masterarbeiten an, die schwerpunktmäßig experimentell, aber auch theoretisch ausgelegt werden können. Wenn Sie sich dafür interessieren, können Sie jederzeit bei uns im CeNTech (Raum 2.15) vorbeikommen oder einfach eine E-Mail an wolfram.pernice@uni-muenster.de schicken.

Homepage AG Pernice

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Helmut Zacharias – Dynamik an Grenzflächen

Illustration Zacharias

Dynamik an Grenzflächen

Dieser Forschungsbereich befasst sich mit physikalischen und chemischen Prozessen, die oberhalb, innerhalb und unterhalb von Grenzflächen stattfinden und von dieser Grenzfläche gesteuert werden. Ziel ist es, einen Beitrag zum Verständnis des Wie? und Warum? katalytischer Oberflächenreaktionen zu leisten. Die unmittelbare Nähe der Grenzfläche modifiziert die Kräfte innerhalb der Moleküle so sehr, dass Reaktionen ganz anders ablaufen, als wenn diese sich in der Gasphase oder in Lösung befinden. Um die Dynamik solcher Reaktionen zu verstehen, werden die Systeme optisch angeregt und die Beteiligung der verschiedenen internen Zustände der Moleküle (Rotation und Vibration) sowie ihre räumliche Ausrichtung während der Prozesse mittels gepulster, abstimmbarer Laserstrahlung studiert. Damit man diese sehr schnell ablaufenden Prozesse untersuchen kann, werden Laserpulse von extrem kurzer Dauer benötigt. Neue Lasertechnologien erlauben hierfür die Erzeugung von Pulsen im Bereich von 10–30 Femtosekunden (1 fs = 10-15s).

Erzeugung ultrakurzer Röntgenpulse

Diese Laserimpulse mit Pulsdauern von etwa 10 fs werden mit einem modengekoppelten Titan-Saphir-Lasern erzeugt. Nach Verstärkung der Oszillatorstrahlung werden Pulsenergien von einigen Millijoule (I > 100 GW) bei Repetitionsraten von 1 kHz erreicht. In einer neuartigen Wechselwirkung dieser intensiven Pulse mit Materie können so genannte Hohe Harmonische bei Photonenenergien bis zu 120 eV und mehr kohärent erzeugt werden. Diese Strahlung eignet sich besonders gut zur Analyse ultraschneller Prozesse an Oberflächen, bei Photonenenergien oberhalb von 270 eV auch zur in situ Mikroskopie von biologischen Proben. Inkohärente, harte Röntgenstrahlung bei Energien von 1,5 bis 20 keV – Kα-Linienstrahlung und Bremsstrahlung – kann in einem heißen Laserplasma erzeugt werden, wobei auch hier eine Pulsdauer von wenigen 100 fs erreicht wird. Solche Strahlung ist zur Untersuchung ultraschneller Prozesse der Materialphysik von großem Interesse.

Auf folgenden Gebieten wird in der AG Zacharias zurzeit geforscht

Spektroskopische Untersuchung der Photoelektronen

  • Photoemission von Graphen und Graphen-Nanoribbons mittels Hoher Harmonischer Strahlung im Bereich von 20–120 eV und zeitaufgelöste Messung der Elektronendynamik durch Pump-Probe-Experimente: Kohlenstoff-Elektronik
  • Photoemission von Monolagen chiraler Moleküle auf Gold und Bestimmung von deren Spin-Polarisation: Spintronik
  • Photoemission von organischen Schichten mittels XPEEM (Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie) und weicher, gepulster Röntgenstrahlung.
  • Untersuchung der inversen Photoemission an organischen Schichten

Laserdesorption

  • zur Simulation interstellarer photochemischer Prozesse im Rahmen des EU Projektes LASSIE im Labor und am FLASH, DESY in Hamburg) mittels gepulster XUV-Strahlung
  • von angeregten Gasmolekülen von Oberflächen, z.B. H2/D2 von HOPG-Kristallen oder NO von C60/Cu(111)

Laserentwichlung: Strahlerzeugung und Anwendungen

  • Entwicklung von Ti:Sa Leistungsverstärker zur
    • Erzeugung von Harmonischen hoher Ordnung bis 120 eV
    • Erzeugung von intensiven Röntgenpulsen im Femtosekunden-Bereich bis 9 kV
  • Forschung am FEL (Freier Elektronen Laser): Messung von Zweipuls-Korrelation am und mit einem Delaykorrelator am FLASH (DESY, Hamburg) sowie Entwicklung eines zweiten Delaykorrelators für den European XFEL.
  • Entwicklung eines OPCPA (Optical Parametric Chirped-Pulse Amplifier)
  • Untersuchung der zeitaufgelösten ultraschnellen Röntgenbeugung an Kristallen

Ansprechpartner: Prof. H. Zacharias
Homepage AG Zacharias