@phdthesis{Kremling2013,
  author    = {Kremling, Stefan},
  title     = {Charakterisierung von InP und InGaN Quantenpunkten als Einzelphotonenquellen sowie von AlGaInAs Quantenpunkten in Zwischenband-Solarzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-101712},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit beschreibt die Charakterisierung von Halbleiter-Quantenpunkten (QP) in unterschiedlichen Materialsystemen. Die hier dargelegten Untersuchungen wurden mit verschiedenen Methoden der optischen Spektroskopie durchgef{\"u}hrt. Zu Beginn der Arbeit werden theoretische Grundlagen von QP hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur und statistischen Eigenschaften erl{\"a}utert. Dar{\"u}ber hinaus wird n{\"a}her auf die Physik von Solarzellen eingegangen, in dem die relevanten Gleichungen f{\"u}r die Beschreibung des Ladungstr{\"a}gertransportes hergeleitet und diskutiert werden. Darauf folgend werden die experimentelle Methoden erkl{\"a}rt, welche zur Charakterisierung der jeweiligen Proben dienten. Besonderes Augenmerk wird auf die Methode zur Messung des Zwei-Photonen-Absorptionsprozesses gelegt. Der Abschnitt der experimentell gewonnenen Ergebnisse beginnt mit Untersuchungen an einzelnen, spektral isolierten InP QP, welche mit ultralangsamen Wachstumsraten hergestellt wurden. Aufgrund der sehr geringen Fl{\"a}chendichte konnten grundlegende physikalische Eigenschaften von QP ohne zus{\"a}tzliche laterale Strukturierungen studiert werden. Mittels Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung und Detektion in Abh{\"a}ngigkeit der Polarisation konnten die verschiedenen Lumineszenzlinien eines QP-Spektrums den jeweiligen exzitonischen Zust{\"a}nden zugeordnet werden. Zus{\"a}tzlich wurden die QP in einem externen Magnetfeld in Faraday-Konfiguration untersucht. Abschließend durchgef{\"u}hrte Autokorrelationsmessungen erlaubten die Untersuchung der zeitlichen Statistik der QP-Photonen. Es konnte die Emission einzelner Photonen nachgewiesen werden. Anschließend folgen spektroskopische Untersuchungen von InP QP, welche mittels sequentiellen Wachstums hergestellt wurden. Anhand von Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung und best{\"a}tigt durch zeitaufgel{\"o}ste Messungen am QP-Ensemble wurde eine bimodale QP-Verteilung mit Typ-I und Typ-II Bandverlauf bestimmt. Zus{\"a}tzlich konnten an einzelnen, spektral isolierten QP verschiedene Exziton-Zust{\"a}nde identifiziert werden, bevor abschließend Autokorrelationsmessungen die Emission einzelner Photonen demonstrierten. Zur Steigerung der Auskoppeleffizienz der Photonen wurden InP QP in Mikros{\"a}ulenresonatoren, bestehend aus zwei Bragg-Spiegeln mit einer dazwischenliegenden GaInP Kavit{\"a}t, eingebettet. Anfangs wurde die Emission der Kavit{\"a}tsmode von Strukturen mit unterschiedlichen lateralen Durchmessern charakterisiert. Mittels Temperaturverstimmung konnte die Energie eines einzelnen QP-Exzitons in Resonanz mit der Resonatormode gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung wurde eine signifikante {\"U}berh{\"o}hung der Lumineszenzintensit{\"a}t aufgrund des Purcell-Effektes gemessen. Zus{\"a}tzlich wurde im Regime der schwachen Kopplung die Emission einzelner Photonen anhand von Korrelationsmessungen nachgewiesen. Im zweiten Schritt wurden die QP-Mikros{\"a}ulenresonatorstrukturen elektrisch angeregt. Nach einer grundlegenden Charakterisierung konnte auch hier mittels Temperaturverstimmung die Energie der Resonatormode mit der eines Exziton in Resonanz gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung stieg die Intensit{\"a}t der Lumineszenz aufgrund des Purcell-Effekts signifikant an. Zum Abschluss best{\"a}tigen Korrelationsmessungen den Nachweis der Emission einzelner Photonen. In Kapitel 6 werden die Eigenschaften von InGaN QP genauer analysiert. Nitrid-Verbindungshalbleiter kristallieren vorzugsweise stabil in der Wurtzit-Kristallstruktur. Polare Kristallebenen mit fehlender Spiegelsymmetrie f{\"u}hren zu starken piezoelektrischen Feldern. Dies hat eine Lumineszenz mit ausgepr{\"a}gter linearer Polarisation zur Folge hat. Diese Eigenschaft wurde mittels statistischen Untersuchungen n{\"a}her betrachtet. Zus{\"a}tzlich erlaubten Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung die verschiedenen Exziton-Zust{\"a}nde eines QP zu identifizieren. Zudem wurde die Emission einzelner Photonen durch InGaN QP demonstriert, erstmals sogar bis zu einer Temperatur von 50 K. Im abschliessenden Kapitel wird eine m{\"o}gliche Anwendung von QP pr{\"a}sentiert, bei der Eigenschaften in Bauteilen gezielt ausgenutzt werden, um die Bandbreite der Photonenabsorption zu erh{\"o}hen. Das Konzept der Zwischenband-Solarzellen verspricht auch Photonen mit einer Energie kleiner der Bandl{\"u}cke des umgebenden Materials aufnehmen zu k{\"o}nnen und somit den spektralen Absorptionsbereich zu erweitern. F{\"u}r eine systematische Untersuchung wurden verschiedene Proben mit integrierten AlGaInAs QP hergestellt. Anhand der Strom-Spannungs-Kennlinien der jeweiligen Proben im Dunkeln und unter Beleuchtung konnten wichtige Solarzellenparameter bestimmt werden. Spektrale Messungen liefern Informationen {\"u}ber die externe Quanteneffizienz der Proben. Entscheidend f{\"u}r den experimentellen Nachweis des Funktionsprinzips der Zwischenband-Solarzellen ist die Messung der Zwei-Photonen-Absorption f{\"u}r zwei Photonen mit jeweils kleineren Energien als der Bandl{\"u}cke des umgebenden Materials.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Richter2014,
  author    = {Richter, Stephan},
  title     = {Detaillierte Simulationen von Blazar-Emissionen : ein numerischer Zugang zu Radiobeobachtungen und Kurzzeitvariabilit{\"a}t},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-103209},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit den Prozessen, die in einer Unterklasse der Aktiven Galaxienkerne, den Blazaren, das Emissionsspektrum dieser Objekte erzeugen. Dies beinhaltet insbesondere den Beschleunigungsprozess, der eine nichtthermische Teilchenverteilung erzeugt, sowie diverse Strahlungsprozesse. Das Spektrum dieser Quellen reicht dabei vom Radiobereich bis zu Energien im TeV-Bereich. Die Form des zeitlich gemittelten Spektrums kann durch Modelle bereits sehr gut beschrieben werden. Insbesondere die erste der beiden dominierenden Komponenten des Spektrums kann mit hoher Sicherheit mit Synchrotronemission einer Elektronenenergieverteilung in Form eines Potenzgesetzes identifiziert werden. F{\"u}r den Ursprung der zweiten Komponente existieren jedoch verschiedene Erkl{\"a}rungsversuche. Dies sind im wesentlichen die inverse Compton-Streuung der internen oder externer Strahlung (leptonische Modelle) sowie die Emission und photohadronische Wechselwirkung einer hochenergetischen Verteilung von Protonen in der Quelle. Eine r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung des Ursprungs der detektierten Strahlung ist mit den zur Verf{\"u}gung stehenden Teleskopen nicht m{\"o}glich. Einschr{\"a}nkungen f{\"u}r die Ausdehnung dieser Emissionszone ergeben sich lediglich aus der Variation des Emissionsspektrums. Eine Bestimmung der Morphologie ist jedoch im selbstabsorbierten Radiobereich des Spektrums durch die Ausnutzung von interferometrischen Beobachtungen m{\"o}glich. Die resultierenden L{\"a}ngen, auf denen die im inneren der Quelle selbstabsorbierte Strahlung die Quelle schließlich verl{\"a}sst, sind jedoch etwa zwei Gr{\"o}ßenordnungen oberhalb der aus den Variabilit{\"a}tszeitskalen gefolgerten Limits. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell soll dabei helfen, verschiedene Beobachtungen mit Hilfe eines quantitativen Modells zu beschreiben. Hier steht insbesondere die Korrelation zwischen den Verl{\"a}ufen der Hochenergie- und Radioemission im Vordergrund. Eine Aussage {\"u}ber die Existenz einer solchen Verbindung konnte aus den bisherigen Beobachtungen nicht getroffen werden. Eine quantitative Modellierung k{\"o}nnte bei der Interpretation der bisher uneindeutigen Datenlage helfen. Eine weitere, durch Modelle bisher nicht beschreibbare, Beobachtungsevidenz sind extrem kurzzeitige Variationen des Flusszustands. Die Lichtlaufzeit durch das f{\"u}r die Modellierung ben{\"o}tigte Raumgebiet ist zumeist gr{\"o}ßer als die beobachtete Zeitskala. Zudem deuten die Beobachtungen darauf hin, dass manche dieser Flussausbr{\"u}che nicht zwischen den verschiedenen B{\"a}ndern korreliert sind, wie es zumindest die leptonischen Modelle erwarten lassen w{\"u}rden. Das hier beschriebene Modell verbindet eine r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung des Emissionsgebiets mit dem dominanten Beschleunigungsmechanismus. Hierdurch konnte zun{\"a}chst gezeigt werden, dass die Beschreibung von Variabilit{\"a}t auch auf Skalen unterhalb der Lichtlaufzeit durch das modellierte Raumgebiet m{\"o}glich ist. Zudem wurde ein Szenario quantifiziert, dass im leptonischen Fall unkorrelierte Ausbr{\"u}che vorhersagt. \thispagestyle{empty} Durch eine Erweiterung des Emissionsgebiets gegen{\"u}ber anderen Blazar-Modellen um zwei Gr{\"o}ßenordnung konnte zudem eine Verkn{\"u}pfung zwischen dem Hochenergie- und dem Radiobereich erfolgen. Die gefundene Morphologie des Einschlussgebiets der nichtthermischen Teilchenpopulation beinhaltet eine physikalisch sinnvolle Randbedingung f{\"u}r das Emissionsgebiet der Hochenergiestrahlung, die zudem den f{\"u}r die betrachtete Quelle korrekten Spektralindex im Radiobereich erzeugt. Dar{\"u}ber hinaus wurden in das Modell sowohl leptonische als auch hadronische Prozesse integriert, die eine flexible und unvoreingenommene Modellierung potentieller Hybridquellen erlauben. Mit dem entwickelten Modell ist es m{\"o}glich, aus detailliert vermessenen Lichtkurven im Hochenergiebereich die zu erwartende Radioemission vorherzusagen. Die in diese Vorhersage eingehenden Parameter lassen sich aus der Modellierung des Gleichgewichtsspektrums bestimmen.},
  subject      = {Blazar},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Hartmann2012,
  author    = {Hartmann, Fabian},
  title     = {Elektrooptische Transporteigenschaften und stochastisch aktivierte Prozesse Resonanter Tunneldioden},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-90876},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden elektrooptische Transporteigenschaften und stochastisch aktivierte Prozesse Resonanter Tunneldioden (RTDs) bei Raumtemperatur untersucht. Die RTDs wurden auf dem III-V Halbleitermaterialsystem AlGaAs/GaAs durch Molekularstrahlepitaxie, Elektronenstrahllithographie und trockenchemischen {\"A}tztechniken hergestellt. Im Bereich des negativen differentiellen Leitwerts konnte bistabi-les Schalten und hierbei stochastisch aktivierte Dynamik nichtlinearer Systeme untersucht werden. Die Fl{\"a}chenabh{\"a}ngigkeit der {\"A}tzrate konnte ausgenutzt werden, um RTDs mit einem Stamm und zwei Transport{\"a}sten zu realisieren, welche hinsichtlich ihrer optischen und elektrischen Eigenschaften untersucht wurden. Im ersten experimentellen Abschnitt 3.1 werden die elektrischen Transporteigenschaften Resonanter Tunneldioden bei Raum-temperatur und die Fl{\"a}chenabh{\"a}ngigkeit des koh{\"a}renten und nicht-koh{\"a}renten Elektronen-transports analysiert. Die Realisierung universeller logischer Gatter (NOR und NAND) und deren Rekonfigurierbarkeit durch einen externen Kontrollparameter wird in Abschnitt 3.2 gezeigt. In Abschnitt 3.3 wird die Lichtsensitivit{\"a}t Resonanter Tunneldioden als Photode-tektoren f{\"u}r den sichtbaren Wellenl{\"a}ngenbereich und in Abschnitt 3.4 f{\"u}r die Telekommu-nikationswellenl{\"a}nge bei λ = 1,3 µm demonstriert.},
  subject      = {Resonanz-Tunneldiode},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Tavakoli2014,
  author    = {Tavakoli, Kia},
  title     = {Herstellung und Charakterisierung spintronischer und caloritronischer (Ga,Mn)As-Nanostrukturen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-103241},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Die elektronischen Bauteile, die aus unserer technischen Welt kaum wegzuddenken sind, werden immer kleiner. Aktuelle ICs bestehen zum Beispiel aus Milliarden von Transistoren, von denen jeder einzelne kleiner als 100nm (dem 100-stel des typischen Durchmessers eines Menschenhaars) ist. Dass die Entwicklung auch zuk{\"u}nftig weiter dem Trend des Mooreschen Gesetzes folgen wird, gilt hierbei als unbestritten. Die interessanteste Fragestellung der Halbleiter- und Nanostrukturforschung in diesem Zusammenhang ist: Kann man die weitere Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik dadurch erreichen, dass man die Miniaturisierung der Transistoren in Mikroprozessoren und Speicherbauelementen weiter vorantreibt oder ist man auf g{\"a}nzlich neue Wege angewiesen? Bei der weitergehenden Miniaturisierung ist die gr{\"o}ßte H{\"u}rde darin zu suchen, ob man in der Lage sein wird die Verbrauchsleistung dieser Bauelemente weiter zu reduzieren, um die {\"U}berhitzung der Bauteile in den Griff zu bekommen und nicht zuletzt auch, um Energie zu sparen. Die heutige Elektronik hat ihre Grundlagen in den 60er Jahren. Diese Art der Elektronik ist jedoch hinsichtlich der Effizienzsteigerungen und vor allem der W{\"a}rmeentwicklung an ihre Grenzen gestoßen. Hauptursache f{\"u}r diese problematische W{\"a}rmeentwicklung sind die elektrischen Verbindungen, die die Informationen zwischen der halbleiterbasierten Datenverarbeitung und den metallischen Speicherelementen hin und hertransportieren. Obwohl diese elektrischen Verbindungen zum aktuellen Zeitpunkt aus der Computerarchitektur nicht weg zu denken sind, ist es eines der Hauptziele diese Verbindungen nicht mehr verwenden zu m{\"u}ssen. Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn es gelingt, die Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) zu vereinen. Bisher wurde die Ladung eines Elektrons f{\"u}r die Verarbeitung von elektrischen Informationen bzw. Zust{\"a}nden benutzt. Was w{\"a}re jedoch, wenn man diese bisherige Basis v{\"o}llig {\"a}ndert? Der Spin der Elektronen ist ein viel effektiverer Informationstr{\"a}ger als die Ladung der Elektronen selbst, nicht zuletzt deshalb, weil die Ver{\"a}nderung des Spins eines Elektrons im Vergleich zu dessen Bewegung einen weitaus geringeren Energiebetrag ben{\"o}tigt [1]. Die Technik, die zus{\"a}tzlich zur Informationsverarbeitung durch makroskopische Elektronenstr{\"o}me den viel effektiveren Spin-Quantenzustand der Elektronen oder L{\"o}cher als Freiheitsgrad nutzt, ist die sogenannte Spintronik1. Die Spinfreiheitsgrade er{\"o}ffnen, wegen der l{\"a}ngeren Phasenkoh{\"a}renzl{\"a}nge, im Vergleich zu den orbitalen Freiheitsgraden, v{\"o}llig neue Wege f{\"u}r zuk{\"u}nftige Entwicklungen wie z.B. den Quantencomputer. Damit w{\"a}re die Entwicklung niederenergetischer Bauelemente m{\"o}glich, die fast keine W{\"a}rmeentwicklung aufweisen. Wegen dieser vielen Vorteile hat sich die Spintronik in Rekordzeit von einer interessanten wissenschaftlichen Beobachtung in Rekordzeit zu einer marktbewegenden Anwendung weiterentwickelt (Nobelpreis 2007). Seinen Anfang nahm diese Entwicklung 1988 mit der Entdeckung des GMR-Effekts. Nach nur 9 Jahren wurden 1997 erste Festplatten-Lesek{\"o}pfe eingesetzt, die sich diesen Effekt zu Nutze machten. Lesek{\"o}pfe, die den Riesenmagnetwiderstand nutzen, waren nunmehr um ein Vielfaches empfindlicher als es die konventionelle Technik zugelassen h{\"a}tte. Die Speicherdichte und damit die Kapazit{\"a}ten der Festplatten konnte somit erheblich gesteigert und Festplatten mit zuvor nie gekannter Speicherkapazit{\"a}t preiswert produziert werden. Seit dieser Zeit r{\"u}ckt der Elektronenspin immer weiter in den Brennpunkt von Forschung und Entwicklung. Da sich der elektrische Widerstand von Halbleitern in einem weiten Bereich manipulieren l{\"a}sst (was f{\"u}r ferromagnetische Metalle nicht der Fall ist), werden logische Bauelemente aus halbleitenden Materialien hergestellt. Im Gegensatz dazu sind ferromagnetische Metalle sehr gute Kandidaten f{\"u}r die Speicherung von Informationen. Dies liegt vor allem daran, dass zuf{\"a}llige Magnetfelder viel schw{\"a}cher sind, als zuf{\"a}llige elektrische Felder, was ferromagnetische Systeme wesentlich unanf{\"a}lliger macht. Daher sind die magnetischen Speicher nicht fl{\"u}chtig und zudem m{\"u}ssen deren Informationsgehalte nicht wie bei DRAM immer wieder aufgefrischt werden. Um die jeweiligen Vorteile der Materialklassen - die magnetisch energiesparende sowie dauerhafte Speicherf{\"a}higkeit der Metalle und die logischen Operationen der Halbleiter - miteinander kombinieren zu k{\"o}nnen und damit neuartige Bauelemente wie z.B. MRAMs (logische Operationen und dauerhafte Speicherung) zu bauen, sind ferromagnetischen Halbleiter unverzichtbar. Auf dieser Basis k{\"o}nnten Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) dargestellt werden. Zugleich braucht man aber auch neue Wege, um diese Speicher zu magnetisieren und sp{\"a}ter auslesen zu k{\"o}nnen. Ein weiterer Vorteil liegt zudem darin, dass hierzu kein Einsatz beweglicher Teile notwendig ist. Die Magnetisierungskontrolle muss aber temperaturunabh{\"a}ngig sein! Der am besten erforschte ferromagnetische Halbleiter ist (Ga,Mn)As, der deswegen die Modellrolle einnimmt und als Prototyp f{\"u}r alle ferromagnetischen Halbleiter dient. Die Kopplung seiner magnetischen und halbleitenden Eigenschaften durch Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuer Transportph{\"a}nomene in diesem Materialsystem. Diese Ph{\"a}nomene sind vielfach die Grundlage f{\"u}r neuartige Anwendungen, Bauteildesigns und Wirkprinzipien. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die interessanten Anisotropien in (Ga,Mn)As, die von der sehr starken Spin-Bahn-Kopplung im Valenzband herr{\"u}hren zu nutzen, sowie neue spinbezogene Effekte in verschiedenen magnetischen Bauelementen zu realisieren. Die vorliegende Arbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 1 wird auf die grundlegenden Eigenschaften des (Ga,Mn)As und einige neuartige Spineffekten, die dieses Material mit sich bringt, eingegangen. Das zur Erzeugung dieser Effekte notwendige fertigungstechnische Wissen, f{\"u}r die lithografische Erzeugung der spintronisch bzw. caloritronisch aktiven Nanostrukturen, wird im Kapitel 2 beschrieben. Um mit dieser Welt der Spineffekte „kommunizieren" und die Effekte kontrollieren zu k{\"o}nnen, sind entsprechend angepasste und funktionsf{\"a}hige Kontaktierungen notwendig. Mit der detaillierten Herstellung und Analyse dieser Kontakte besch{\"a}ftigt sich das Kapitel 3. Es wurden zwei Arten von Kontakten hergestellt und bei den Proben eingesetzt: in situ (innerhalb der MBE-Wachstumskammer) und ex situ. Zusammenfassend l{\"a}sst sich sagen, dass bei der ex situ-Probenpr{\"a}paration, die Reproduzierbarkeit der Kontakte, besonders bei logisch magnetischen Elementen, nicht gew{\"a}hrleistet werden konnte. Bei funktionierender Kontaktierung war das magnetische Verhalten dann jedoch stets gleich. Bei den in situ-Kontakten war zwar einerseits das elektrische Verhalten reproduzierbar und sehr gut, aber das magnetische Verhalten war nicht zufriedenstellend, da die Relaxation nicht vollst{\"a}ndig stattfand. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die ex situ-Kontakte optimiert werden. Dabei wurde auf die Problematiken bereits existierender Proben eingegangen und es wurden verschiedene L{\"o}sungsan s{\"a}tze daf{\"u}r gefunden. So konnte z.B. gezeigt werden, dass die Haftungsprobleme haupts{\"a}chlich auf dem unsaubere Oberfl{\"a}chen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sind. Jede Schicht, die zwischen aufgedampfter Metallschicht und dem dotierten Halbleiter bestehen bleibt, unabh{\"a}ngig davon, ob es sich dabei um eine oxidierte Schicht, Lackreste oder eine, zum Teil verarmte Schicht handelt, beeintr{\"a}chtigt die Funktionalit{\"a}t der Kontakte. Je kleiner die Dimension der Kontakte, desto st{\"a}rker wirkt sich die unsaubere Oberfl{\"a}che aus. So konnte gezeigt werden, dass ab einer Gr{\"o}ße von ca. 500nm_500nm die Zuverl{\"a}ssigkeit der Kontakte elementar von der Reinheit der Oberfl{\"a}chen und deren Homogenit{\"a}t beeinflusst wird. Zur Abwendung dieser Komplikationen werden verschiedene L{\"o}sungsans{\"a}tze vorgeschlagen. Wird die Oberfl{\"a}che mit hochenergetischen Ionen versetzt, verarmt deren Dotierung, was zu einer massiven {\"A}nderung der Leitf{\"a}higkeit f{\"u}hrt. Daher wurden entweder v{\"o}llig andere Prozessparameter zur Reinigung eingesetzt, die den dotierten HL nicht verarmen oder einer der nasschemischen Schritte wurde so angepasst, dass die extrem verarmte Schicht der HL-Oberfl{\"a}che entfernt wurde. Die einfachsten spintronischen Bauelemente (Streifen) und magnetischen Logikelemente sowie deren Ergebnisse werden im Kapitel 4 diskutiert. Hier wurde eindeutig gezeigt, dass die Streifen bei niedrigen Stromdichten nicht v{\"o}llig uniaxial sind, w{\"a}hrend bei erh{\"o}hten Stromdichten die Uniaxialit{\"a}t immer dominanter wird. Dies war jedoch zu erwarten, da bei erh{\"o}hten Stromdichten die Temperatur auch ansteigt und da, bei erh{\"o}hter Temperatur, die biaxiale Anisotropie mit M4, die uniaxiale aber jedoch nur mit M2 abf{\"a}llt - die dominante Anisotropie wechselt folglich von biaxial zu uniaxial [2]. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen gelegt, um Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Halbleiter (Ga,Mn)As herzustellen. Auf Basis dieser Arbeit und den dabei gewonnenen litographischen Erkentnissen wurden, in nachfolgenden Arbeiten, solche Bauelemente realisiert [3]. Spin-Kaloritronik: Wie schon Eingangs erw{\"a}hnt, wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass die Miniaturisierung der zuk{\"u}nftigen Elektronik weitergef{\"u}hrt werden kann. Bei stetiger Verkleinerung der Strukturen kommt es in heutigen Anwendungen zu immer gr{\"o}ßeren Problemen bei der W{\"a}rmeabfuhr. Die Folgen der Temperaturdifferenzen innerhalb der Strukturen f{\"u}hren dabei zu sog. Hotspots oder sogar Materialsch{\"a}den. Temperaturunterschiede m{\"u}ssen aber nicht nur negative Auswirkungen haben. So wurde an einem ferromagnetischen System aus Nickel, Eisen und Platin der sogenannte Spin-Seebeck-Effekt gemessen, bei dem die Elektronen in den Regionen verschiedener Temperatur unterschiedliche Spinpolarisationen zeigen [4]. Eine Batterie, die diesen spinpolarisierten Strom nutzt, k{\"o}nnte einen entscheidenden Fortschritt in der Spintronik bedeuten. Dieser Bereich der Forschung an thermoelektrischen Effekten, bei denen ferromagnetische Materialien involviert sind, wird auch „spin-caloritronics" genannt [5]. Die Kapitel 5 und 6 besch{\"a}ftigen sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile. wh{\"a}rend das Kapitel 5 sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile, f{\"u}r die von uns als Bezeichnung TAMT („tunnel anisotropic magneto thermopower") eingef{\"u}hrt wurde, besch{\"a}ftigt, wird in Kapitel 6 an einem ver{\"a}nderten Probenlayout der Nernst-Effekt nachgewiesen. Die Geometrie wurde in beiden f{\"a}llen so gew{\"a}hlt und hergestellt, dass durch die Anisotropien des (Ga,Mn)As die beiden thermoelektrische Effekte (Seebeck- und Nernst-Effekt) auf einen n+-p+-{\"U}bergang {\"u}bertragen werden konnten. Durch einen Strom, in einem mit Silizium hoch dotierten GaAs-Heizkanal, kann jeweils ein vertikaler Temperaturgradient erzeugt werden. Die hierbei entstehenden Thermospannungen wurden durch eine vollst{\"a}ndige elektrische Charaktri sierungsmessung mit Hilfe pr{\"a}ziser Lock-in-Verst{\"a}rker-Technik detektiert. Das Kapitel 5 besch{\"a}ftigt sich mit allen Bereichen, von der Idee bis hin zu Messungen und Analysen des Seebeck-Effektes an einem n-p-{\"U}bergang (TAMT). Außerdem ist ein sehr einfaches numerisches Modell dargestellt, dass den gefundenen Effekt theoretisch beschreibt. Durch die bekannten thermoelektrischen Effekte ergibt sich ein Temperaturgradient der immer zu einer Thermospannung und somit zu einem Thermostrom entlang des Gradienten f{\"u}hrt. F{\"u}r zuk{\"u}nftige Entwicklungen ist es demnach wichtig, diese Effekte zu beachten und diese bei elektrischen Messungen an Nanostrukturen als m{\"o}gliche, zus{\"a}tzliche Ursache eines Messsignals in Betracht zu ziehen. In den vorliegenden Proben ist der Seebeck-Effekt stark anisotrop, mit einem gr{\"o}ßeren Thermospannungswert f{\"u}r Magnetisierungen entlang der magnetisch harten Achsen des (Ga,Mn)As. Es wurde ein einfaches Model entwickelt, welches das Tunneln von Elektronen zwischen zwei unterschiedlich warmen Bereichen erkl{\"a}rt. Die Abh{\"a}ngigkeit des Effekts von der Temperatur des Heizkanals wurde anhand dieses Models sowohl qualitativ als auch gr{\"o}ßenordnungsm{\"a}ßig korrekt beschrieben. Die Nernst-Proben wurden von der Theorie bis zur Herstellung so entwickelt, dass in derselben Anordnung eine im (Ga,Mn)As senkrecht zum Temperaturgradienten gerichtete Spannung zus{\"a}tzlich gemessen werden konnte. Diese wurde durch den Nernst-Effekt erkl{\"a}rt. Besonders interessant war, dass die Gr{\"o}ße der Nernst-Spannung hierbei mit der Magnetisierung im (Ga,Mn)As verkn{\"u}pft ist und somit ein aus der typischen Magnetisierungsumkehr hervorgehendes Verhalten zeigt. Gegen{\"u}ber den Magnetowiderstandseffekten entsteht beim Nernst-Effekt in sogenannten Fingerprints (vgl. Kapitel 1.3.3) ein dreistufiges Farbmuster anstelle eines zweistufigen hoch-tief-Systems. Die entstehende Temperatur im Heizkanal wird jeweils durch eine longitudinale Widerstandsmessung in einem senkrecht zum Kanal gerichteten {\"a}ußeren Magnetfeld bestimmt. Die Magnetfeldabh{\"a}ngigkeit des Widerstands kommt hierbei durch den Effekt der schwachen Lokalisierung in d{\"u}nnen Filmen zustande. Zusammenfassend stellen die Magneto-Thermoelektrizit{\"a}tseffekte eine wichtige weitere Transporteigenschaft in ferromagnetischen Halbleitern dar, die mit der Magnetisierung direkt zusammenh{\"a}ngen. In dieser Arbeit wurden Thermospannungen an (Ga,Mn)As-Schichten mit vergleichsweise hoher Mangankonzentration untersucht. Allerdings sind die Thermoelektrizit{\"a}tseigenschaften zusammen mit Magneto-Widerstandsmessungen in Zukunft in der Lage, zus{\"a}tzliche Informationen {\"u}ber die Bandstruktur sowie die Ladungstr{\"a}gereigenschaften in Materialsystemen mit niedrigerem Mangangehalt, insbesondere in der N{\"a}he des Metall-Isolator-{\"U}bergangs, zu liefern. Inhalt des Anhangs ist eine ausf{\"u}hrliche Anleitung zur Optimierung der Probenherstellung bzw. der verschiedenen Bauelemente.},
  subject      = {Spintronik},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Dietrich2024,
  author    = {Dietrich, Philipp},
  title     = {Traveling Wave Magnetic Particle Imaging: Visuelle Stenosequantifizierung und Perkutane Transluminale Angioplastie im Gef{\"a}ßmodell},
  doi       = {10.25972/OPUS-35251},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-352517},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein innovatives tomographisches Bildgebungs­verfahren, mit dem Tracerpartikel {\"a}ußerst sensitiv und schnell mehrdimensional abgebildet werden k{\"o}nnen. Die Methode basiert auf der nichtlinearen Magnetisierungs­antwort superparamagnetischer Eisenoxidnanopartikel (SPION) in einem Messpunkt, welcher ein Messvolumen rastert. In vorliegender Arbeit wurde das sog. Traveling Wave MPI (TWMPI) Verfahren eingesetzt, wodurch im Vergleich zu konventionellen MPI-Scannern ein gr{\"o}ßeres Field of View (FOV) und eine geringere Latenz bis zur Bildanzeige erreicht werden konnte. TWMPI weist einige f{\"u}r medizinische Zwecke vielversprechende Eigenschaften auf: Es liefert zwei- und dreidimensionale Bildrekonstruktionen in Echtzeit mit hoher zeitlicher und r{\"a}umlicher Aufl{\"o}sung. Dabei ist die Bildgebung von Grund auf hintergrundfrei und erfordert keinerlei ionisierende Strahlung. Zudem ist die Technik {\"a}ußerst sensitiv und kann SPION-Tracer noch in mikromolaren Konzentrationen detektieren. Ziel dieser Arbeit war es daher zu untersuchen, inwiefern es mittels TWMPI m{\"o}glich ist, k{\"u}nstliche Stenosen im Gef{\"a}ßmodell visuell in Echtzeit darzustellen und quantitativ zu beurteilen sowie {\"u}berdies eine perkutane transluminale Angioplastie (PTA) im Gef{\"a}ßmodell unter TWMPI-Echtzeit-Bildgebung durchzuf{\"u}hren. Alle Experimente wurden in einem speziell angefertigten TWMPI-Scanner durchgef{\"u}hrt (JMU W{\"u}rzburg, Experimentelle Physik V (Biophysik), FOV: 65 x 29 x 29 mm³, Aufl{\"o}sung: ca. 1.5 - 2 mm). Die Lumen-Darstellungen erfolgten mittels des SPION-Tracers Ferucarbotran in einer Verd{\"u}nnung von 1 : 50 (entspr. 10 mmol [Fe]/l). Das PTA-Instrumentarium wurde mit eigens hergestelltem ferucarbotran­haltigem Lack (100 mmol [Fe]/l) markiert. F{\"u}r die verschiedenen Teilexperimente wurden den jeweiligen speziellen Anforderungen entsprechend mehrere Gef{\"a}ßmodelle handgefertigt. F{\"u}r die visuelle Stenosequantifizierung wurden f{\"u}nf starre Stenosephantome unterschiedlicher Stenosierung (0\%, 25\%, 50\%, 75\%, 100\%) aus Polyoxymethylen her­gestellt (l: 40 mm, ID: 8 mm). Die Gef{\"a}ßmodelle wurden mehrfach zentral im FOV platz­iert und das stenosierte Lumen mittels sog. Slice-Scanning Modus (SSM, Einzel­aufnahme inkl. 10 Mittelungen: 200 ms, Bildfrequenz: 5 Bilder pro Sekunde, Latenz: ca. 100 ms) als zweidimensionale Quasi-Projektionen abgebildet. Diese Aufnahmen (n = 80, 16 je Phantom) wurden mit einer ein­heitlichen Grauskalierung versehen und anschließend entsprechend den NASCET-Kriterien visuell ausgewertet. Alle achtzig Aufnahmen waren unabh{\"a}ngig vom Stenosegrad aufgrund einheitlicher Fensterung sowie konstanter Scannerparameter untereinander gut vergleichbar. Niedrig­gradige Stenosen konnten insgesamt genauer abgebildet werden als h{\"o}hergradige, was sich neben der subjektiven Bildqualit{\"a}t auch in geringeren Standardabweichungen zeigte (0\%: 3.70 \% ± 2.71, 25\%: 18.64 \% ± 1.84, 50\%: 52.82 \% ± 3.66, 75\%: 77.84 \% ± 14.77, 100\%: 100 \% ± 0). Mit zunehmendem Stenosegrad kam es vermehrt zu geometrischen Ver­zerrungen im Zentrum, sodass bei den 75\%-Stenosen eine breitere Streuung der Messwerte mit einer h{\"o}heren Standardabweichung von 14.77\% einherging. Leichte, randst{\"a}ndige Artefakte konnten bei allen Datens{\"a}tzen beobachtet werden. F{\"u}r die PTA wurden drei interaktive Gef{\"a}ßmodelle aus Polyvinylchlorid (l: 100 mm, ID: 8 mm) mit zu- und abf{\"u}hrendem Schlauchsystem entwickelt, welche mittels Kabelband von außen hochgradig eingeengt werden konnten. Analog zu einer konventionellen PTA mittels r{\"o}ntgenbasierter digitaler Subtraktionsangiographie (DSA), wurden alle erforder­lichen Arbeitsschritte (Gef{\"a}ßdarstellung, Drahtpassage, Ballonplatzierung, Angioplastie, Erfolgskontrolle) unter (TW)MPI-Echtzeit-Bildgebung (Framerate: 2 - 4 FPS, Latenz: ca. 100 ms) abgebildet bzw. durchgef{\"u}hrt. Im Rahmen der PTA war eine Echtzeit-Visualisierung der Stenose im Gef{\"a}ßmodell durch Tracer-Bolusgabe sowie die F{\"u}hrung des markierten Instrumentariums zum Zielort m{\"o}glich. Die Markierung der Instrumente hielt der Beanspruchung w{\"a}hrend der Prozedur stand und erm{\"o}glichte eine genaue Platzierung des Ballonkatheters. Die Stenose konnte mittels Angioplastie-Ballons unter Echtzeit-Darstellung gesprengt werden und der Interventionserfolg im Anschluss durch erneute Visualisierung des Lumens validiert werden. Insgesamt zeigt sich MPI somit als ad{\"a}quate Bildgebungstechnik f{\"u}r die beiden in der Fragestellung bzw. Zielsetzung definierten experimentellen Anwendungen. Stenosen im Gef{\"a}ßmodell konnten erfolgreich in Echtzeit visualisiert und bildmorphologisch nach NASCET-Kriterien quantifiziert werden. Ebenso war eine PTA im Gef{\"a}ßmodell unter TWMPI-Echtzeit-Bildgebung machbar. Diese Ergebnisse unter­streichen das grundlegende Potenzial von MPI f{\"u}r medizinische Zwecke. Um zu den bereits etablierten Bildgebungsmethoden aufzuschließen, ist jedoch weitere Forschung im Bereich der Scanner-Hard- und -Software sowie bez{\"u}glich SPION-Tracern n{\"o}tig.},
  subject      = {Medizinische Radiologie},
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