Vorträge im WS 2003/2004

Gedenkkolloquium zum 100. Geburtstag von Prof. Dr. Walter Lochte-Holtgreven Prof. Dr. Helmut Jäger, Institut für Experimentalphysik der Technischen Universität Graz

Plasmabeschichtung von Festkörperoberflächen (17. Februar 2003)

Ausgehend von persönlichen Erinnerungen an die Forschungstätigkeiten des Instituts für Experimentalphysik der Universität Kiel in den Jahren 1963 bis 1973 und deren weltweite Anerkennung in Fachkreisen wird zunächst auf das Wirken des damaligen Institutsdirektors, Prof. Dr. Walter Lochte-Holtgreven, eingegangen. In Würdigung seiner Verdienste um die wissenschaftliche Reputation dieses Instituts wird aufgezeigt, in welcher Weise seine wissenschaftlichen Arbeiten sowie seine Ideen und Anregungen in Kiel, aber auch an anderen Orten Auswirkungen gefunden haben, wie etwa am Institut für Experimentalphysik der Technischen Universität Graz. Über dort durchgeführte Forschungsarbeiten wird berichtet. Sie befassen sich mit der Modifizierung und Beschichtung von Festkörperoberflächen mit Hilfe elektrischer Gasentladungen bei gleichzeitigem Einsatz von Plasmadiagnostik zur Prozessoptimierung. Nach einem kurzen Überblick über die heute angewandten Verfahren auf diesem Gebiet wird die Erzeugung von Isolierschichten auf Metalloberflächen durch Plasmapolymerisation etwas eingehender beschrieben.
 
Prof. Dr. Jürgen Meichsner, Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Greifswald

Reaktive Plasma-Oberflächen-Wechselwirkung (10. Februar 2004)

Molekülplasmen und deren reaktive Wechselwirkung mit begrenzenden Oberflächen stellen aufgrund der großen Anzahl von Plasmaspezies und der Vielzahl von Elementarprozessen ein komplexes System in der Plasmaphysik dar und sind im Detail kaum verstanden. Sie besitzen jedoch ein großes technologisches Potenzial, z.B. für die Modifizierung von (Polymer-) Oberflächen oder die plasmagestützte Abscheidung dünner (organischer) Schichten. Moderne Methoden der Plasmadiagnostik (z.B. Laser induzierte Fluoreszenz, hochauflösendeIR- Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie,Plasmamonitoring,Schwellwert-Masse nspektrometrie) und eine in situ Charakterisierung von Oberflächen bzw. dünnen Schichten (FTIR-Spektroskopie, Ellipsometrie) erlauben es, Teilprozesse genauer zu untersuchen und dabei wesentliche Reaktionskanäle und Mechanismen zu identifizieren. Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich insbesondere auf Experimente mit einer asymmetrischen, kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzentladung im Niederdruckbereich (5-200 Pa), die teilweise gepulst betrieben wird. Neben einfachen Gasen (N2, O2, H2, Ar) werden auch organische Molekülgase (z.B. CF4) einbezogen. Die Ergebnisse einer zeitaufgelösten Analyse von CF2-Radikalen in fluorkohlenstoffhaltigen Plasmen zeigen zum Beispiel, dass begrenzende Oberflächen auch eine Quelle für diese Radikale darstellen können.
 
Prof. Dr. Niels Birbaumer, Institut für Medizinische Psychologie und Verhaltensneurobiologie, Universität Tübingen

Brain-Computer-Interfaces: Ein Gedanken-Übersetzungs-System (3. Februar 2004)

Die Entwicklung und Anwendung von Brain-Computer-Interfaces (BCI) am Beispiel der Epilepsien und der Kommunikation mit vollständig Gelähmten wird demonstriert. Im Tierversuch kann mit multiplen Elektroden Bewegungsinformation direkt vom Gehirn auf Bildschirme oder Prothesen übertragen werden. Beim Menschen lernen die Patienten vorerst ihre Hirnaktivität selbst zu kontrollieren, danach können sie mit diesen Hirnpotentialen Buchstaben und Wörter auswählen. Damit können "Eingeschlossene" (Locked-in-Patienten) ohne Motorik kommunizieren und Epileptiker ihre Anfälle kontrollieren. Die zukünftige Entwicklung, ethische und physikalische Probleme werden zur Diskussion gestellt. Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem National Institute of Health (NIH, USA).
 
Prof. Dr. F.-J. Lübken, Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik Universität Rostock, Kühlungsborn

Eisteilchen in der polaren Mesosphäre: Ursachen und Auswirkungen (27. Januar 2004)

Die jahreszeitliche Variation der thermischen Struktur verläuft in der Mesosphäre in polaren Breiten sehr ausergewöhnlich: Im Sommer findet man an der Mesopause (ca. 88 km) mit ca. 130 K die niedrigsten Temperaturen in der gesamten Atmosphäre, wahrend es im Winter in gleichen Hohen etwa 60- 70 Grad wärmer(!) ist. Im Vortrag werden die wichtigsten Aspekte zur Erklärung dieses Phänomens kurz vorgestellt. An der Sommermesopause bilden sich Eisteilchen, die als sogenannte "leuchtende Nachtwolken" (noctilucent clouds, NLC) seit mehr als 100 Jahren mit bloßem Auge beobachtet werden. Seit einigen Jahren kann man diese Wolken auch mit aktiven Instrumenten (Lidars) vom Boden aus beobachten und zwar auch innerhalb des Polarkreises, also bei Tageslicht. Dies eröffnet die Möglichkeit, Einzelheiten der Wolken, z. B. die Teilchengröße oder die Breiten- und Höhenvariation im Detail zu untersuchen. Im Vortrag werden neueste Ergebnisse solcher Messungen vorgestellt mit Schwerpunkt auf den Stationen in Kuhlungsborn (54°N), ALOMAR (69°N) und Spitzbergen (78°N). Insbesondere geht es hierbei um die Frage nach langfristigen Variationen (solarer Zyklus, Trends), sowie um den Einfluss dieser Eisteilchen auf die Spurengasverteilung in der Mesopausenregion. Wie man seit kurzem weiß, sind die oben erwahnten Eisteilchen auch Ursache fur die sehr starken Radarechos (polar mesosphere summer echoes, PMSE). Voraussetzung fur diese Echos ist, dass Strukturen im Plasma mit der halben Radarwellenlänge vorhanden sind (typischerweise λ/2=3m). Im Vortrag werden aktuelle Messungen und die Erklarung von PMSE vorgestellt. Auserdem werden neueste Ergebnisse von raketengetragenen Temperaturmessungen von Spitzbergen präsentiert.
 
Prof. Dr. Lukas M. Eng, Institute of Applied Photophysics, TU Dresden, Dresden

Nano-Optics: the Challenge for Future Nanodevices (20. Januar 2004)

The behavior of optical waves at interfaces needs a profound understanding of both near- and far-field optical properties. Experimentally, photons are collected with scanning near-field optical microscopy (SNOM). Beyond traditional aperture type SNOM using glass fibers, the optical resolution is significantly enhanced when using photon scattering from a pointed metallic tip instead of an aperture. The scattering type near-field optical microscope (s-SNOM), however, needs a basic understanding of electric field enhancement in confined structures. What arises in such tips are resonances of electronic plasmon polaritons scattering light into the far field, as is well known from metallic thin films. This contribution discusses the behavior of such metallic confined structures. We show that the optical frequency may be tuned in a 2-dimensional metallic film by using optical tunneling experiments. In 0-dimensional nanostructures as is the tip of a s- SNOM, the optical behavior and field enhancement dramatically depends on the geometry and material in use. Furthermore, we developed an understanding of how image contrast in s-SNOM arises even for optically anisotropic sample systems. With these ingredients it is then possible to address optical near fields to nanosized objects having different optical properties, as will be discussed for ferroelectric domain walls.
 
Prof. Dr. R. J. Behm, Abt. Oberflächenchemie und Katalyse, Universität Ulm

Oberflächenchemie auf Nanometerskala – Struktur und Reaktivität bimetallischer Oberflächen (13. Januar 2004)

Die chemischen Eigenschaften bimetallischer Nanopartikel und Oberflächen weichen oft erheblich von denen der jeweiligen reinen Komponenten ab. Als Ursache hierfür werden verschiedene elektronische und geometrische Effekte vermutet. Der direkte Nachweis dieser Effekte und die Unterscheidung dazwischen war bisher allerdings, vor allem wegen der fehlenden Information über die Verteilung der Oberflächenatome, nicht möglich. In dem Vortrag wird gezeigt, wie diese Frage durch Kombination hochaufgelöster rastertunnelmikroskopischer Untersuchungen mit oberflächenspektroskopischen Messungen quantitativ beantwortet werden kann. Über die quantitative Kenntnis der Häufigkeiten einzelner Strukturelemente, die durch statistische Auswertung atomar aufgelöster STM-Aufnahmen erhalten wird, können die chemischen Eigenschaften dieser Nanostrukturen bestimmt und damit auch zwischen den verschiedenen Beiträgen unterschieden werden. Die Daten ermöglichen zudem einen direkten Vergleich mit theoretischen Ergebnissen und damit weitere Einsicht in die zugrundeliegenden Mechanismen. Wirkungsweise und Ausmaß der verschiedenen Effekte werden an Beispielen dargestellt.
 
Prof. Dr. Flemming Besenbacher, Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO),University of Aarhus, Denmark

Nanostructures at surfaces explored by high-resolution, fast-scanning STM

(Ausgefallen wegen Erkrankung des Vortragenden) In the interdisciplinary area of nanoscience the physical and chemical properties of nanostructures are unique functions of their size and shape, and can be very different from those of bulk matter. In this talk I will show how the unique resolving power of the scanning tunneling microscope (STM) and scanning tunneling spectroscopy can provide important new information on the atomic-scale realm and on the dynamics of nanostructures, visualized in the form of STM movies (see www.phys.au.dk/camp). Diffusion of adatoms and defects on surfaces is very important for the nucleation and growth of functional nanostructures at surfaces for controlling important processes like coarsening and sintering. I will show how we by means of time-resolved, high-resolution STM can obtain important new insight into the dynamics of surface diffusion of adatoms and vacancies on the atomic scale. The time-resolved STM data are visualized in the form of STM movies, which subsequently can be analyzed in order to extract quantitative information about activation energy, prefactors, and adsorbate-promoted diffusion and so-called long jumps where the diffusing species once promoted to the transition state spans several lattice spacing before retrapping in a high-symmetry lattice site. By controlling the diffusion of adatoms on the atomic scale we can grow nanostructures with unique chemical properties, we can form first principles design nanostructures and nanoclusters with unique catalytical properties, and finally I will show how we can design nanostructures on surfaces which can act as templates for the formation of one-dimensional molecular wires.
 
Prof. Dr. Eckhard Pehlke, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Universität Kiel

Wenn ein Elektron nicht schnell genug ist: Nichtadiabatische Molekulardynamik und zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (16. Dezember 2003)

Die Bewegung der Kerne in einem Festkörper kann in vielen Fällen - etwa bei der Berechnung der Phononendispersion oder der dissoziativen Adsorption von Molekülen an Oberflächen – befriedigend im Rahmen der Born-Oppenheimer-Näherung verstanden werden. Die Potentiallandschaft, in der sich die Kerne bewegen, läßt sich mittels Gesamtenergierechnungen, etwa basierend auf der Dichtefunktionaltheorie des elektronischen Grundzustands, vorhersagen. In diesem Vortrag hingegen werden Situationen vorgestellt, in denen "die Elektronen ein wenig zu langsam sind" und der Kernbewegung nicht adiabatisch folgen können. Zu den beobachtbaren Konsequenzen zählt im Fall von chemischen Reaktionen die Chemolumineszenz, die Emission von Exoelektronen und der Chemostrom. Die Beschreibung solcher nicht adiabatischer Phänomene geht über eine Grundzustandstheorie hinaus und erfordert im Prinzip die Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung. Eine effiziente Formulierung ist im Rahmen der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (Runge und Gross 1984) möglich. Wiederum existiert eine im Prinzip exakte Abbildung des wechselwirkenden Systems auf ein System nicht miteinander wechselwirkender Fermionen, die sich in einem zeitabhängigen effektiven, von der Elektronendichte n(r,t) sowie dem Anfangszustand abhängigen, Potential bewegen. Rechnungen erfordern eine geeignete Näherung für dieses Potential. Es werden erste, auf Grundlage der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie durchgeführte Molekulardynamiksimulationen gezeigt.
 
Prof. Dr. Lutz Schweikhard, Institut für Physik, Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Greifswald

Cluster in der Falle (2. Dezember 2003)

Ionenfallen finden in den unterschiedlichsten Gebieten Verwendung. Bei der Clusterfalle werden sie zur Untersuchung atomarer Cluster eingesetzt. Die Eigenschaften von solchen Verbänden von wenigen bis etwa hundert Atomen bewegen sich zwischen denen einzelner Atome und der kondensierten Materie und sind stark von der Clustergröße abhängig. Neben den kontinuierlichen Trends beobachtet man sprunghafte Veränderungen der Clustereigenschaften bei "magischen Zahlen", die von geometrischen, bei den hier betrachteten Edelmetallclustern aber vor allem auch von elektronischen Strukturen geprägt sind. Aufgrund ihrer vielfältigen Möglichkeiten der Präparation und der Wechselwirkung mit den unterschiedlichsten Reaktionspartnern sowie der Möglichkeit der Beobachtung auch über längere Zeiträume eignen sich Ionenfallen hervorragend zur Clusteruntersuchung. Der Vortrag verbindet eine Einführung in die Ionenspeichertechniken, speziell in die "Penningfalle", mit einem Überblick über die damit durchgeführten Experimente mit und an atomaren Clustern.
 
Prof. Dr. Eckehard Schöll, Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Berlin

Controlling noise-induced motion by time-delayed feedback (25. November 2003)

Time delayed feedback control that was earlier introduced by Pyragas for the purpose of control of deterministic chaotic oscillations in nonlinear dynamic systems, is exploited for controlling noise-induced motion. Such noise-induced oscillations are widespread in systems near bifurcations, and in excitable systems like neurons, semiconductor nanostructures, or chemical reaction systems. Under appropriate choice of time delay, one can either increase or decrease the regularity of motion. In an excitable system, delayed feedback stabilizes the frequency of oscillations against variation of noise strength. Also, for fixed noise intensity, the phenomenon of entrainment of basic periods of oscillations by the delayed feedback is found. This allows one to steer the timescales of noise-induced motion by changing the time delay.
 
Dr. Peter Kratzer, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin

Einblicke in die Elementarprozesse bei der Halbleiter-Epitaxie – Ergebnisse von ab initio-Methoden (18. November 2003)

Das Wachstum von dünnen Halbleiterschichten zeigt viele interessante und technologisch wichtige Phänomene, unter anderem das spontane Entstehen von Nanostrukturen (Quantenpunkten). Eine atomistische Theorie der Nichtgleichgewichtsphänomene beim Wachstum muss insbesondere das Zusammenspiel aller beteiligten Elementarprozesse auf den für das Wachstum relevanten Zeit- und Längenskalen beschreiben. Die neuartige Kombination von Dichtefunktional(DFT)-Berechnungen mit kinetischen Monte-Carlo(kMC)-Simulationen ermöglicht es dabei, die Kluft zwischen den Zeit- und Längenskalen der molekularen Dynamik und den experimentell relevanten Skalen zu überbrücken.

Der Vortrag stellt detaillierte Berechnungen zur Homoepitaxie von GaAs aus Ga- und As2- Molekularstrahlen auf dem technologisch wichtigen GaAs(001)-Substrat vor, dessen Oberfläche unter Ausbildung von As-Dimeren rekonstruiert. Durch die kMC-Simulationen gewinnen wir Einblick in das Zusammenwirken von Ga und As2 beim Wachstum. Die Berechnungen zeigen, daß adsorbierte Ga-Atome die As-Oberflächendimere aufbrechen und dabei zunächst an zweifach koordinierten Plätzen eingebaut werden. Dort wird anschließend As2 selektiv adsorbiert. Als Konsequenz dieses Wachstumsmechanismus finden wir, dass die Inseldichte, anders als in einfachen Theorien der Nukleation, eine nicht-monotone Funktion der Wachstumstemperatur ist. Ferner werde ich Ergebnisse von DFT-Berechnungen zum Einfluss der mechanischen Verspannungen beim heteroepitaktischen Wachstum auf die Diffusion von Adatomen vorstellen, sowie ihre Bedeutung für die Wachstumskinetik von heteroepitaktischen Nanostrukturen diskutieren.
 
Prof. Dr. Olaf Magnussen, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Kiel

Mikroskopische Struktur und Dynamik von Metall-Elektrolyt-Grenzflächen (4. November 2003)

Grenzflächen zwischen Metallen und Elektrolytlösungen spielen eine wichtige Rolle in vielen technologisch relevanten Prozessen, beispielsweise in Batterien und Brennstoffzellen, bei der galvanischen Abscheidung oder bei der Metallkorrosion. Sie sind aber auch interessante Modellsysteme für grundlegende, oberflächen- /grenzflächenphysikalische Fragestellungen, da ihre Struktur sowie der Ablauf elementarer Grenzflächenprozesse über das Elektrodenpotential besonders einfach kontrolliert werden kann. Moderne physikalische Methoden wie Rastersondenmikroskopie, Oberflächenröntgenbeugung und Spektroskopieverfahren erlauben in-situ Untersuchungen dieser komplexen Grenzflächen von der atomaren Skala bis in den Mikrometerbereich. Im Vortrag werden insbesondere Experimente mit hoher Orts- und Zeitauflösung vorgestellt, die Aussagen über lokale atomare Prozesse im Millisekundenbereich zulassen. Als Beispiel werden unter anderem Untersuchungen zur Dynamik nanoskaliger Strukturen an Goldelektroden und zum Einfluss des zweidimensionalen Phasenverhaltens anionischer Adsorbate auf Metallauflösung und - wachstum von Kupfer in verdünnten Säuerelösungen diskutiert. Weiterhin werden Arbeiten zu Potentialeffekten in heteroepitaktischen Abscheidungsprozessen und zur Wechselwirkung einfacher molekularer Spezies mit wohldefinierten, atomaren Ensembles in der Oberfläche von ultradünnen, elektrokatalytischen AuPd- Legierungsschichten vorgestellt.
 
Dr. Jörg Kröger, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Kiel

Wenn Elektronen und Phononen miteinander wechselwirken… (21. Oktober 2003)

…beobachtet man typischerweise interessante Phänomene. Eines dieser Phänomene ist die Kohn-Anomalie. Dieser Effekt beschreibt, wie sich eine elektronische Instabilität an der Fermi-Kante auf die Dynamik von Phononen niederschlägt. Gilt aber tatsächlich, dass eine solche Instabilität stets einen Einfluss auf die Phononendispersion hat? Kann man umgekehrt aus einer gestörten Phononendynamik auf eine Instabilität im Elektronensystem schließen? Die Analyse der Adsorbatsysteme Mo(110)-(1x1)H, W(110)-(1x1)H, Mo(110)-p(2x2)0 und Mo(110)-(1x1)Li mittels inelastischer Elektronenstreuung und Photoemission beleuchtet diese Problematik. Die wohl prominenteste Auswirkung der Elektron-Phonon-Kopplung ist die Supraleitung. Elektronen erfahren durch den Austausch von Phononen eine attraktive Wechselwirkung und schliessen sich zu Cooper-Paaren zusammen. Die Festkörperform des C60-Moleküls wird unter gewissen Voraussetzungen supraleitend. Das Adsorbatsystem Ag(100)-c(6x4)C60 ist möglicherweise ein System, bei dem zweidimensionale Supraleitung im C60-Film herrscht: die Untersuchung dieses System mittels Photoemission zeigt das Öffnen einer Zustandslücke an der Fermi-Kante ab 200 K.