@phdthesis{Miller2024,
  author    = {Miller, Kirill},
  title     = {Untersuchung von Nanostrukturen basierend auf LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) f{\"u}r Anwendungen in nicht von-Neumann-Rechnerarchitekturen},
  doi       = {10.25972/OPUS-35472},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-354724},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Die Dissertation besch{\"a}ftigt sich mit der Analyse von oxidischen Nanostrukturen. Die Grundlage der Bauelemente stellt dabei die LaAlO3/SrTiO3-Heterostruktur dar. Hierbei entsteht an der Grenzfl{\"a}che beider {\"U}bergangsmetalloxide ein quasi zweidimensionales Elektronengas, welches wiederum eine F{\"u}lle von beachtlichen Eigenschaften und Charakteristika zeigt. Mithilfe lithographischer Verfahren wurden zwei unterschiedliche Bauelemente verwirklicht. Dabei handelt es sich einerseits um einen planaren Nanodraht mit lateralen Gates, welcher auf der Probenoberfl{\"a}che prozessiert wurde und eine bemerkenswerte Trialit{\"a}t aufweist. Dieses Bauelement kann unter anderem als ein herk{\"o}mmlicher Feldeffekttransistor agieren, wobei der Ladungstransport durch die lateral angelegte Spannung manipuliert wird. Zus{\"a}tzlich konnten auch Speichereigenschaften beobachtet werden, sodass das gesamte Bauelement als ein sogenannter Memristor fungieren kann. In diesem Fall h{\"a}ngt der Ladungstransport von der Elektronenakkumulation auf den lateralen potentialfreien Gates ab. Die Memristanz des Nanodrahts l{\"a}sst sich unter anderem durch Lichtleistungen im Nanowattbereich und mithilfe von kurzen Spannungspulsen ver{\"a}ndern. Dar{\"u}ber hinaus kann die Elektronenakkumulation auch in Form einer memkapazitiven Charakteristik beobachtet werden. Neben dem Nanodraht wurde auch eine Kreuzstruktur, die eine erg{\"a}nzende ferromagnetischen Elektrode beinhaltet, realisiert. Mit diesem neuartigen Bauteil wird die Umwandlung zwischen Spin- und Ladungsstr{\"o}men innerhalb der nanoskaligen Struktur untersucht. Hierbei wird die starke Spin-Bahn-Kopplung im quasi zweidimensionalen Elektronengas ausgenutzt.},
  subject      = {Memristor},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Gram2023,
  author    = {Gram, Maximilian},
  title     = {Neue Methoden der Spin-Lock-basierten Magnetresonanztomographie: Myokardiale T\(_{1ρ}\)-Quantifizierung und Detektion magnetischer Oszillationen im nT-Bereich},
  doi       = {10.25972/OPUS-32255},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-322552},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuer, robuster Methoden der Spin-Lock-basierten MRT. Im Fokus stand hierbei vorerst die T1ρ-Quantifizierung des Myokards im Kleintiermodell. Neben der T1ρ-Bildgebung bietet Spin-Locking jedoch zus{\"a}tzlich die M{\"o}glichkeit der Detektion ultra-schwacher, magnetischer Feldoszillationen. Die Projekte und Ergebnisse, die im Rahmen dieses Promotionsvorhabens umgesetzt und erzielt wurden, decken daher ein breites Spektrum der Spin-lock basierten Bildgebung ab und k{\"o}nnen grob in drei Bereiche unterteilt werden. Im ersten Schritt wurde die grundlegende Pulssequenz des Spin-Lock-Experimentes durch die Einf{\"u}hrung des balancierten Spin-Locks optimiert. Der zweite Schritt war die Entwicklung einer kardialen MRT-Sequenz f{\"u}r die robuste Quantifizierung der myokardialen T1ρ-Relaxationszeit an einem pr{\"a}klinischen Hochfeld-MRT. Im letzten Schritt wurden Konzepte der robusten T1ρ-Bildgebung auf die Methodik der Felddetektion mittels Spin-Locking {\"u}bertragen. Hierbei wurden erste, erfolgreiche Messungen magnetischer Oszillationen im nT-Bereich, welche lokal im untersuchten Gewebe auftreten, an einem klinischen MRT-System im menschlichen Gehirn realisiert.},
  subject      = {Kernspintomografie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Lutter2023,
  author    = {Lutter, Fabian},
  title     = {Elementsensitive Bildgebung - Einsatz chromatischer Pixelarrays in R{\"o}ntgen nano-CT},
  doi       = {10.25972/OPUS-31995},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-319955},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Diese Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung und Charakterisierung des XRM-II nanoCT Systems, sowie dessen M{\"o}glichkeiten zur Materialtrennung und Elementbestimmung in der nano-Computertomographie. Beim XRM-II nanoCT System handelt es sich um ein R{\"o}ntgenmikroskop, welches in ein Rasterelektronenmikroskop integriert ist, und auf dem Prinzip der geometrischen Vergr{\"o}ßerung basiert. Neben zweidimensionalen Durchstrahlungsbildern ist dieses Mikroskop auch zur dreidimensionalen Bildgebung mittels Computertomographie f{\"a}hig. Der Ausgangspunkt f{\"u}r die Weiterentwicklung ist das XRM-II, mit welchem bereits Computertomographien im Nanometerbereich m{\"o}glich waren. Deren Aufnahmedauer liegt zwischen 14 und 21 Tagen, was das System trotz seiner hohen Aufl{\"o}sung wenig praktikabel macht. Durch eine Anpassung der Blendeneinstellungen am Rasterelektronenmikroskop konnte der Strahlstrom um den Faktor 40 erh{\"o}ht und damit die Aufnahmedauer auf 24 Stunden reduziert werden, wobei weiterhin eine zweidimensionale Aufl{\"o}sung von \(167 \pm 9\) nm erreicht wird. Durch die Trennung von Objekt- und Targetmanipulator lassen sich beide unabh{\"a}ngig und genauer bewegen, wodurch es m{\"o}glich ist selbst 50 nm große Strukturen abzubilden. Die Charakterisierung erfolgt sowohl f{\"u}r das komplette System als auch getrennt in die entscheidenden Komponenten wie Target und Detektor. F{\"u}r das R{\"o}ntgentarget werden Monte-Carlo Simulationen zur Brennfleckgr{\"o}ße, welche entscheidend f{\"u}r die erreichbare Aufl{\"o}sung ist, durchgef{\"u}hrt und mit Aufl{\"o}sungstests verglichen. Der R{\"o}ntgendetektor wird hinsichtlich seiner spektralen Aufl{\"o}sung {\"u}berpr{\"u}ft, welche haupts{\"a}chlich vom Charge Sharing Effekt beeinflusst wird. Die Charakterisierung des Gesamtsystems erfolgt durch den Vergleich mit einer h{\"o}her aufl{\"o}senden Bildgebungsmethode, der FIB Tomographie. Hierbei wird die gleiche Probe, ein Bruchst{\"u}ck einer CPU, mit beiden Methoden unter der Voraussetzung einer {\"a}hnlichen Aufnahmezeit (24 h) untersucht. In der nano-CT kann ein 12 mal gr{\"o}ßeres Volumen analysiert werden, was jedoch eine geringere r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung als die FIB Tomographie mit sich bringt. Da die spektrale Aufl{\"o}sung des Detektors aufgrund des Charge Sharing begrenzt ist, lassen sich nur Materialien mit einem großen Unterschied in der Ordnungszahl mittels der Energieschwellen des Detektors trennen. Jedoch kann in Verbindung mit der geeigneten Wahl des Targetmaterials der Absorptionskontrast f{\"u}r leichte Materialien, wie beispielsweise \(SiO_2\) verbessert werden. Dar{\"u}ber hinaus ist es am XRM-II nanoCT m{\"o}glich, durch das integrierte EDX-System, Elemente in der Computertomographie zu identifizieren. Dies wird anhand eines Drei-Wegekatalysators und eines NCA-Partikel gezeigt.},
  subject      = {Computertomographie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Rueckert2023,
  author    = {R{\"u}ckert, Martin Andreas},
  title     = {Rotationsdriftspektroskopie},
  doi       = {10.25972/OPUS-26863},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-268631},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Die wachsende Verf{\"u}gbarkeit von magnetischen Nanopartikeln (MNPs) mit funktionalisierten Partikeloberfl{\"a}chen er{\"o}ffnet weitreichende M{\"o}glichkeiten f{\"u}r chemische, biologische und klinische Analysemethoden. Durch Funktionalisierung kann eine gezielte Interaktion mit Molek{\"u}len bewirkt werden, die im Allgemeinen auch die Beweglichkeit der MNPs ver{\"a}ndern. Methoden zur Charakterisierung von MNPs wie bspw. AC-Suszeptometrie, Magnetorelaxometrie (MRX) oder Magnetic Particle Spectroscopy (MPS) k{\"o}nnen diese {\"A}nderung der Beweglichkeit bei MNPs messen, wenn es sich um MNPs handelt, deren magnetisches Moment im Partikel fixiert ist. Damit ist mit funktionalisierten MNPs indirekt auch die spezifische Messung von Molek{\"u}lkonzentrationen m{\"o}glich. MNPs k{\"o}nnen zudem in biokompatibler Form hergestellt werden und sind dadurch auch als in-vivo Marker einsetzbar. Das 2005 das erste Mal ver{\"o}ffentlichte Magnetic Particle Imaging (MPI) kann als ein mittels Gradientenfeldern um die r{\"a}umliche Kodierung erweitertes MPS betrachtet werden. Dank biokompatibler MNPs handelt es sich dabei um eine in-vivo-taugliche, nicht-invasive Bildgebungsmethode. Mit funktionalisierten MNPs als Marker ist damit im Prinzip auch molekulare Bildgebung m{\"o}glich, die durch Detektion der beteiligten Molek{\"u}le (Biomarker) Stoffwechselprozesse r{\"a}umlich abbilden kann. Im Vergleich zur Bildgebung von Gewebe- und Knochenstrukturen lassen sich die diagnostischen M{\"o}glichkeiten durch molekulare Bildgebung erheblich erweitern. Rotationsdriftspektroskopie (Rotational Drift Spectroscopy, RDS) ist eine in dieser Arbeit entwickelte Methode f{\"u}r die induktive Messung der Beweglichkeit von MNPs in fl{\"u}ssiger Suspension. Es verwendet die Rotationsdrift von MNPs in rotierenden magnetischen Feldern als Grundlage und bietet das Potential die {\"A}nderungen der Beweglichkeit von MNPs mit einer Empfindlichkeit messen zu k{\"o}nnen, welche potentiell um mehrere Gr{\"o}ßenordnungen h{\"o}her sein kann als mit den oben erw{\"a}hnten Verfahren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Verwendbarkeit dieses Effekts als Spektroskopiemethode. Die Eigenschaften des RDS-Signals sind jedoch auch als Grundlage f{\"u}r r{\"a}umliche Kodierung vielversprechend. In weiterf{\"u}hrenden Projekten soll daher auch die Entwicklung von Rotationsdriftbildgebung (Rotating Drift Imaging, RDI) als ein nicht-invasives Verfahren f{\"u}r molekulare Bildgebung angestrebt werden. Der Grundgedanke von RDS entlehnt sich aus einem in 2006 ver{\"o}ffentlichten Sensordesign basierend auf magnetische Mikropartikel in einem schwachen rotierenden Magnetfeld. Das rotierende Magnetfeld ist dabei so schwach gew{\"a}hlt, dass sich das Partikel aufgrund der viskosen Reibung nicht mehr synchron mit dem externen Feld drehen kann. Die Frequenz der resultierenden asynchronen Rotationsdrift liegt unterhalb der Frequenz des externen Rotationsfelds und ist Abh{\"a}ngig von der viskosen Reibung. Aufgrund dieser Abh{\"a}ngigkeit k{\"o}nnen {\"A}nderungen im Reibungskoeffizienten des Partikels {\"u}ber {\"A}nderungen in der Rotationsdriftfrequenz gemessen werden. RDS zielt darauf ab, diese Rotationsdrift bei suspendierten MNPs {\"u}ber deren makroskopische Magnetisierung messen zu k{\"o}nnen. Damit wird u.a. auch die nicht-invasive Messung von MNPs innerhalb opaker biologischer Proben m{\"o}glich. MNP-Suspensionen sind großzahlige Nanopartikel-ensembles und k{\"o}nnen nicht wie ein einzelnes Mikropartikel gemessen werden. F{\"u}r die induktive Messung ist vor dem Start eine Ausrichtung aller magnetischen Momente n{\"o}tig, da sich deren makroskopische Magnetisierung andernfalls zu Null addiert. Aufgrund von Rotationsdiffusion bleibt diese Ausrichtung nur eine begrenzte Zeit bestehen, so dass auch die eigentliche Messung des RDS-Signals nur eine begrenzte Zeit m{\"o}glich ist. Diese Ausrichtung wurde in den ersten Experimenten durch einen kurzen Magnetfeldpuls erzeugt. In der Empfangsspule ist die Induktion durch das Rotationsfeld typischer Weise um mehrere Gr{\"o}ßenordnungen h{\"o}her als das zu erwartende Signal und muss durch einen Tiefpass unterdr{\"u}ckt werden. In diesem Tiefpassfilter ruft jedoch die Einkopplung des Anfangspulses eine Pulsantwort hervor, die ebenso mehrere Gr{\"o}ßenordnungen des zu erwartenden Signals betragen kann und {\"a}hnlich langsam wie typische Signale abklingt. Die Unterdr{\"u}ckung dieser Pulsantwort stellte in den ersten Experimenten die gr{\"o}ßte H{\"u}rde da. Der erste Aufbau hatte eine Relaisschaltung zur Pulsunterdr{\"u}ckung und resultierte in einer Totzeit von 3 ms zwischen Anfangspuls und Start der Messung. Aufgrund dieser Totzeit waren die ersten Messungen auf gr{\"o}ßere Agglomerate und Sedimente von MNPs beschr{\"a}nkt, da nur in diesem Fall eine hinreichend lange Zerfallsdauer der Probenmagnetisierung vorlag. Das Verhalten derartiger Partikelsysteme ist jedoch aufgrund von mechanischer und magnetischer Interpartikelwechselwirkung vergleichsweise komplex und theoretisch schwer modellierbar. Das prim{\"a}re Zielsystem f{\"u}r RDS hingegen, Eindom{\"a}nenpartikel mit im Partikel fixierter Magnetisierung und Punktsymmetrie bzgl. des Reibungstensors, erlaubt die Aufstellung einer parametrisierten Funktion f{\"u}r den Signalverlauf. Es erm{\"o}glicht somit aufgrund der besseren Berechenbarkeit eine solidere Auswertung des RDS-Signals. Um Eindom{\"a}nenpartikel in w{\"a}ssriger Suspension mit typischen Partikeldurchmessern um 100 nm messen zu k{\"o}nnen ist eine Verk{\"u}rzung der Totzeit auf mindestens 1/10 erforderlich. Prinzipiell kann diese Problematik durch die Verwendung schneller Halbleiterschalter in Verbindung mit einer pr{\"a}zise abstimmbaren induktiven Entkopplung des Spulensystems gemindert werden. Simulationen des RDS-Signals f{\"u}r verschiedene RDS-Sequenzen zeigen jedoch noch zwei weitere M{\"o}glichkeiten auf, die ohne aufw{\"a}ndigen Eingriffe in der Hardware auskommen. Zum einen kann durch orthogonales Frequenzmischen mit geeignetem Frequenz- und Phasenverh{\"a}ltnis eine Ausrichtung der magnetischen Momente bewirkt werden. Da die ben{\"o}tigten Frequenzen vollst{\"a}ndig im Sperrband des Tiefpassfilters liegen k{\"o}nnen, l{\"a}sst sich damit die Pulsantwort bei hinreichend „weichem" Umschalten zwischen der Polarisierungssequenz und der RDS-Sequenz vollst{\"a}ndig vermeiden. Dar{\"u}ber hinaus zeigt sich, dass es bei Anwesenheit eines schwachen Offsetfelds (< 10 \% der Rotationsfeldamplitude) zu einer Ausrichtung der magnetischen Momente kommt, wenn das magnetische Rotationsfeld seine Richtung {\"a}ndert und diese {\"A}nderung nicht abrupt erfolgt, sondern das Rotationsfeld {\"u}bergangsweise in ein linear oszillierendes Feld {\"u}bergeht. Hingegen wird die Wirkung des Offsetfelds durch das Rotationsfeld vor und nach dem Wechsel nahezu vollst{\"a}ndig neutralisiert, so dass damit das St{\"o}rsignale generierende Schalten eines Offsetfelds ersetzt werden kann. Es ist auf diese Weise nicht m{\"o}glich, Echosequenzen zu erzeugen, da hier bei der f{\"u}r Echosequenzen ben{\"o}tigten Richtungsumkehr des Rotationsfelds die zuvor aufgepr{\"a}gte Phasenverteilung durch das Offsetfeld zerst{\"o}rt wird und somit anstelle einer Signalechogenerierung eine neue RDS-Messung gestartet wird. Obwohl es Echosequenzen mit Anfangspuls erlauben, mehr MNP Parameter zu messen, bietet dieser Ansatz dennoch entscheidende Vorteile. So ergibt sich eine massive Vereinfachung der Hardware und es sind bei gleicher Rotationsfrequenz deutlich h{\"o}here Wiederholraten m{\"o}glich. Die Vermeidung von Schaltvorg{\"a}ngen durch die Verwendung von Offsetfeldern erm{\"o}glicht es, mit dem urspr{\"u}nglichem Aufbau auch Partikelsysteme zu untersuchen, deren Relaxationszeit weit unter 3 ms liegt. Hier zeigt sich, dass sich f{\"u}r unterschiedliche Partikelsysteme teils sehr charakteristische Signalmuster ergeben. Diese lassen sich grob in drei Kategorien einteilen. Die erste Kategorie sind suspendierte Eindom{\"a}nenpartikel mit einer nicht vernachl{\"a}ssigbaren Relaxationszeit. Hier handelt es sich um das bevorzugte Zielsystem f{\"u}r RDS, das durch die Langevin-Gleichung beschrieben werden kann. Die zweite Kategorie sind Partikelsysteme, bei denen die Relaxationsdauer vernachl{\"a}ssigbar ist. In diesem Fall kann der Signalverlauf mit der Langevinfunktion beschrieben werden. Die dritte Kategorie umfasst alle {\"u}brigen Partikelsysteme, insbesondere Suspensionen von MNP-Clustern, die u.a. aufgrund von Interpartikelwechselwirkung komplexe Signalverl{\"a}ufe ergeben, die sich praktisch nicht berechnen lassen. Spektroskopische Untersuchungen sind damit dennoch durch das Anlegen entsprechender Referenzdatenbanken m{\"o}glich (Fingerprinting). Multiparametrisches RDS, d.h. die Wiederholung der Messung f{\"u}r z.B. unterschiedliche Amplituden oder unterschiedliche Viskosit{\"a}ten des Suspensionsmediums, erzeugt aufgrund mehrerer nichtlinearer Abh{\"a}ngigkeiten massive Unterschiede im resultierenden multidimensionalen Datensatz. Das verspricht die Erreichbarkeit hoher spektroskopischer Trennsch{\"a}rfen bei geeigneter Partikel- und Sequenzoptimierung. Die Simulationen und experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit zeigen grunds{\"a}tzliche H{\"u}rden und M{\"o}glichkeiten f{\"u}r das ebenfalls in dieser Arbeit eingef{\"u}hrte RDS auf. Es zeigt damit grundlegende Aspekte auf, die f{\"u}r die Entwicklung von RDS-Hardware und die Optimierung von MNP-Suspensionen n{\"o}tig sind. Mit RDS wird in weiterf{\"u}hrenden Arbeiten die Entwicklung von hochempfindlichen Bioassays und die Erweiterung um die r{\"a}umliche Kodierung angestrebt (RDI), da der zugrunde liegende Effekt zugleich sehr vielversprechend als Grundlage f{\"u}r molekulare Bildgebung ist.},
  subject      = {Magnetteilchen},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Stahlhut2023,
  author    = {Stahlhut, Philipp},
  title     = {Konzeption und Aufbau einer Nanofokus Labor CT Anlage in Reflexionsgeometrie auf Basis eines Rasterelektronenmikroskops},
  doi       = {10.25972/OPUS-30264},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-302648},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit werden die Konzeption und Realisierung eines Computertomographen zur Materialanalyse auf Basis eines Rasterelektronenmikroskops mit einem r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sungsverm{\"o}gen im Nanometerbereich diskutiert. Durch einen fokussierten Elektronenstrahl, der mit einer Beschleunigungsspannung von 30 kV auf eine mikrostrukturierte Wolframnadel mit einem Spitzenradius von bis zu 50 nm gezielt wird, entsteht ein kleiner R{\"o}ntgenbrennfleck {\"u}ber den mit geometrischer Vergr{\"o}ßerung hochaufl{\"o}sende Projektionen eines zu untersuchenden Objekts erzeugt werden. Durch Rotation des Testobjekts werden Projektionen aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen und {\"u}ber einen speziellen Rekonstruktionsalgorithmus zu einem 3-dimensionalen Bild zusammengef{\"u}gt. Bei der Beurteilung der Einzelkomponenten des Ger{\"a}ts wird insbesondere auf Struktur, Form und den elektrochemischen Herstellungsprozess der R{\"o}ntgenquelle eingegangen. Eine ausreichend genaue Positionierung von Messobjekt und R{\"o}ntgenbrennfleck wird {\"u}ber Piezoachsen realisiert, w{\"a}hrend die Stabilit{\"a}t des R{\"o}ntgenbrennflecks {\"u}ber die Elektronenoptik des Rasterelektronenmikroskops und die Form der Quellnadel optimiert wird. Das r{\"a}umliche Aufl{\"o}sungsverm{\"o}gen wird {\"u}ber die Linienspreizfunktion an Materialkanten abgesch{\"a}tzt. F{\"u}r eine Wolfram-Block-Quelle ergibt sich dabei ein Aufl{\"o}sungsverm{\"o}gen von 325 nm - 400 nm in 3D, w{\"a}hrend der Quellfleck einer Wolframnadel das Aufl{\"o}sungsverm{\"o}gen der Anlage auf 65 nm - 90 nm in 2D und 170 nm - 300 nm in 3D bei Messungen an einem AlCu29-Testobjekt anhebt. Außerdem werden die Auswirkungen der Phasenkontrastcharakteristik der R{\"o}ntgenquelle auf die rekonstruierten Bilder nach Anwendung eines Paganin-Filters diskutiert. Dabei zeigt sich, dass durch Anwendung des Filters ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verh{\"a}ltnis auf Kosten der r{\"a}umlichen Bildaufl{\"o}sung erzielt werden kann. Eine Vergleichsmessung mit einem kommerziell verf{\"u}gbaren R{\"o}ntgenmikroskop zeigt die St{\"a}rken des vorgestellten Systems bei Untersuchung von stark absorbierenden Messobjekten. Das kompakte Design erlaubt eine Weiterentwicklung in Richtung eines nanoCT-Moduls als Upgrade Option f{\"u}r Rasterelektronenmikroskope im Gegensatz zu den weitaus teureren bisher verbreiteten nanoCT-Ger{\"a}ten.},
  subject      = {Computertomographie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Jung2023,
  author    = {Jung, Johannes},
  title     = {Wechselwirkungen zwischen Kantenzust{\"a}nden auf dem topologisch kristallinen Isolator Pb\(_{1-x}\)Sn\(_x\)Se},
  doi       = {10.25972/OPUS-29861},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-298616},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Einerseits besteht die einfachste M{\"o}glichkeit zum Ladungs- und Informationstransport zwischen zwei Punkten in deren direkter Verbindung durch eindimensionale Kan{\"a}le. Andererseits besitzen topologische Materialien exotische und {\"a}ußerst vorteilhafte Eigenschaften, weshalb es nahe liegt, dass schon bald neue Anwendungen aus ihnen realisiert werden. Wenn diese beiden Entwicklungen zusammenkommen, dann ist ein grundlegendes Verst{\"a}ndnis von Quanteninterferenz oder Hybridisierungseffekten in eindimensionalen, topologischen Kan{\"a}len von fundamentaler Wichtigkeit. Deshalb werden in der vorliegenden Arbeit Wechselwirkungen von eindimensionalen, topologisch gesch{\"u}tzten Kantenzust{\"a}nden, die an ungeradzahligen Stufenkanten auf der (001)-Oberfl{\"a}che von Pb1-xSnxSe auftreten, untersucht. Aufgrund der lateralen Lokalisierung auf wenige Nanometer um eine Stufenkante herum und der Notwendigkeit zwischen gerad- und ungeradzahligen Stufenkantenh{\"o}hen zu unterscheiden, bieten sich die Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie als Methoden an. Die neu entdeckten Kopplungs- bzw. Wechselwirkungseffekte zwischen benachbarten Kantenzust{\"a}nden treten auf, sobald der Stufe zu Stufe Abstand einen kritischen Wert von dkri ≈ 25nm unterschreitet. Dieses Kriterium kann durch verschiedene r{\"a}umliche Anordnungen von Stufenkanten erf{\"u}llt werden. Infolgedessen werden sich kreuzende, parallel verlaufende und zusammenlaufende Stufenkanten genauer untersucht. Bei letzteren ver{\"a}ndert sich entlang der Struktur kontinuierlich der Abstand und damit die Kopplungsst{\"a}rke zwischen den beiden Randkan{\"a}len. Infolgedessen wurden drei Koppelungsregime identifiziert. (I) Ausgehend von einer schwachen Wechselwirkung zeigt der f{\"u}r die Kantenzust{\"a}nde charakteristische Peak im Spektrum zun{\"a}chst eine Verbreiterung und Verminderung der Intensit{\"a}t. (II) Mit weiter zunehmender Wechselwirkung beginnt sich der Zustand in zwei Peaks aufzuspalten, sodass ab dkri ≈ 15nm an beiden Stufenkanten durchgehen eine Doppelpeak zu beobachten ist . Mit weiter abnehmendem Abstand erreicht die Aufspaltung Werte von einigen 10 meV, w{\"a}hrend sich die Intensit{\"a}t weiter reduziert. (III) Sobald zwei Stufenkanten weniger als etwa 5nm voneinander getrennt sind, konvergieren aufgrund der schwindenden Intensit{\"a}t und des sinkenden energetischen Abstands der beiden Peaks zu den van Hove Singularit{\"a}ten die Spektren an den Stufenkanten gegen das Spektrum {\"u}ber einer Terrasse. i Die Aufspaltung verl{\"a}uft in den Bereichen I und II asymmetrisch, d. h. ein Peak verbleibt ungef{\"a}hr bei der Ausgangsenergie, w{\"a}hrend der andere mit zunehmender Kopplung immer weiter weg schiebt. Bez{\"u}glich der Asymmetrie kann kein Unterschied festgestellt werden, ob die zusammenlaufenden Stufenkanten eine Insel oder Fehlstelleninsel bilden oder ob die Stufenkanten sogar g{\"a}nzlich parallel verlaufen. Es zeigt sich keine Pr{\"a}ferenz, ob zun{\"a}chst der niederenergetische oder der hochenergetische Peak schiebt. Erst im Regime starker Kopplung (III) kann beobachtet werden, dass beide Peaks die Ausgangsenergie deutlich verlassen. Im Gegensatz dazu kann bei sich kreuzenden Stufen ein erheblicher Einfluss der Geometrie, in Form des eingeschlossenen Winkels, auf das Spektrum beobachtet werden. Unabh{\"a}ngig vom Winkel existiert am Kreuzungspunkt selbst kein Kantenzustand mehr. Die Zust{\"a}nde an den vier Stufen beginnen, abh{\"a}ngig vom Winkel, etwa 10-15nm vor dem Kreuzungspunkt abzuklingen. {\"U}berraschenderweise zeigt sich dabei, dass im Fall rechtwinkliger Stufen gar keine Aufspaltung zu beobachten ist, w{\"a}hrend bei allen anderen Winkeln ein Doppelpeak festgestellt werden kann. Diese Entdeckung deutet auf Orthogonalit{\"a}t bez{\"u}glich einer Quantenzahl bei den beteiligten Kantenzust{\"a}nde hin. Neben einer nur theoretisch vorhergesagten Spinpolarisation kann dieser Effekt auch von dem orbitalem Charakter der beteiligten Dirac-Kegel verursacht sein. Da der topologische Schutz in Pb1-xSnxSe durch Kristallsymmetrien garantiert ist, wird als letzter intrinsischer Effekt der Einfluss von eindimensionalen Defekten auf die Kantenzust{\"a}nde untersucht. Ber{\"u}cksichtigt werden dabei ein nicht n{\"a}her klassifizierbarer, oberfl{\"a}chennaher Defekt und Schraubversetzungen. In beiden F{\"a}llen kann ebenfalls eine Aufspaltung des Kantenzustands in einen Doppelpeak gezeigt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Grundlagen f{\"u}r eine Wiederverwendung von (Pb,Sn)Se-Oberfl{\"a}chen bei zuk{\"u}nftige Experimenten mit (magnetischen) Adatomen geschaffen. Durch Kombination von Inoenzerst{\"a}ubung und Tempern wird dabei nicht nur eine gereinigte Oberfl{\"a}che erzeugt, sondern es kann auch das Ferminiveau gezielt erh{\"o}ht oder gesenkt werden. Dieser Effekt beruht auf eine Modifikation der Sn- Konzentration und der von ihr kontrollierten Anzahl an Defektelektronen. Als letztes sind erste Messungen an Cu- und Fe-dotierte Proben gezeigt. Durch die Adatome tritt eine n-Dotierung auf, welche den Dirac-Punkt des Systems in Richtung des Ferminiveaus verschiebt. Sobald er dieses erreicht hat kommt es zu Wechselwirkungsph{\"a}nomenen an freistehenden Stufenkanten. Dies f{\"u}hrt zu einer Doppelpeakstruktur mit einer feinen Aufspaltung von wenigen meV. Das Ph{\"a}nomen ist auf ein schmales Energiefenster beschr{\"a}nkt, bei dem die Lage des Dirac-Punkts nur etwa 5 meV (in beide Richtungen) von der des Ferminiveaus abweichen darf.},
  subject      = {Topologischer Isolator},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Niehoerster2022,
  author    = {Nieh{\"o}rster, Thomas},
  title     = {Spektral aufgel{\"o}ste Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie mit vielen Farben},
  doi       = {10.25972/OPUS-29657},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-296573},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine vielseitig einsetzbare Untersuchungsmethode f{\"u}r biologische Proben, bei der Biomolek{\"u}le selektiv mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden, um sie dann mit sehr gutem Kontrast abzubilden. Dies ist auch mit mehreren verschiedenartigen Zielmolek{\"u}len gleichzeitig m{\"o}glich, wobei {\"u}blicherweise verschiedene Farbstoffe eingesetzt werden, die {\"u}ber ihre Spektren unterschieden werden k{\"o}nnen. Um die Anzahl gleichzeitig verwendbarer F{\"a}rbungen zu maximieren, wird in dieser Arbeit zus{\"a}tzlich zur spektralen Information auch das zeitliche Abklingverhalten der Fluoreszenzfarbstoffe mittels spektral aufgel{\"o}ster Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy, sFLIM) vermessen. Dazu wird die Probe in einem Konfokalmikroskop von drei abwechselnd gepulsten Lasern mit Wellenl{\"a}ngen von 485 nm, 532nm und 640nm angeregt. Die Detektion des Fluoreszenzlichtes erfolgt mit einer hohen spektralen Aufl{\"o}sung von 32 Kan{\"a}len und gleichzeitig mit sehr hoher zeitlicher Aufl{\"o}sung von einigen Picosekunden. Damit wird zu jedem detektierten Fluoreszenzphoton der Anregungslaser, der spektrale Kanal und die Ankunftszeit registriert. Diese detaillierte multidimensionale Information wird von einem Pattern-Matching-Algorithmus ausgewertet, der das Fluoreszenzsignal mit zuvor erstellten Referenzpattern der einzelnen Farbstoffe vergleicht. Der Algorithmus bestimmt so f{\"u}r jedes Pixel die Beitr{\"a}ge der einzelnen Farbstoffe. Mit dieser Technik konnten pro Anregungslaser f{\"u}nf verschiedene F{\"a}rbungen gleichzeitig dargestellt werden, also theoretisch insgesamt 15 F{\"a}rbungen. In der Praxis konnten mit allen drei Lasern zusammen insgesamt neun F{\"a}rbungen abgebildet werden, wobei die Anzahl der Farben vor allem durch die anspruchsvolle Probenvorbereitung limitiert war. In anderen Versuchen konnte die sehr hohe Sensitivit{\"a}t des sFLIM-Systems genutzt werden, um verschiedene Zielmolek{\"u}le voneinander zu unterscheiden, obwohl sie alle mit demselben Farbstoff markiert waren. Dies war m{\"o}glich, weil sich die Fluoreszenzeigenschaften eines Farbstoffmolek{\"u}ls geringf{\"u}gig in Abh{\"a}ngigkeit von seiner Umgebung {\"a}ndern. Weiterhin konnte die sFLIM-Technik mit der hochaufl{\"o}senden STED-Mikroskopie (STED: stimulated emission depletion) kombiniert werden, um so hochaufgel{\"o}ste zweifarbige Bilder zu erzeugen, wobei nur ein einziger gemeinsamer STED-Laser ben{\"o}tigt wurde. Die gleichzeitige Erfassung von mehreren photophysikalischen Messgr{\"o}ßen sowie deren Auswertung durch den Pattern-Matching-Algorithmus erm{\"o}glichten somit die Entwicklung von neuen Methoden der Fluoreszenzmikroskopie f{\"u}r Mehrfachf{\"a}rbungen.},
  subject      = {Fluoreszenzmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Iff2022,
  author    = {Iff, Oliver},
  title     = {Implementierung und Charakterisierung von Einzelphotonenquellen in zweidimensionalen Übergangsmetall-Dichalkogeniden und deren Kopplung an optische Resonatoren},
  doi       = {10.25972/OPUS-28140},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-281404},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Schon heute bilden Einzelphotonenquellen einen wichtigen Baustein in der Photonik und Quanteninformation. Der Fokus der Forschung liegt entsprechend auf dem Finden und Charakterisieren daf{\"u}r geeigneter Materialsysteme. Konkret beschäftigt sich die vorliegende Arbeit vorwiegend mit dem Übergangsmetall-Dichalkogenid (TMDC1 ) Wolframdiselenid und seinen Eigenschaften. Diese Wahl ist durch den direkte Zugang zu Einzelphotonenquellen begr{\"u}ndet, die sich in dessen Monolagen ausbilden können. Diese Lichtquellen können {\"u}ber eine Modulation der Verspannung der Monolage gezielt aktiviert werden. Durch die, verglichen mit ihrem Volumen, riesige Kontaktfläche lassen sich Monolagen zudem mit Hilfe des Substrats, auf das sie transferiert wurden, wesentlich beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Monolagen von WSe2 in unterschiedlichen Bauteilen wie zirkulare Bragg-Gittern oder vorstrukturierten, metallischen Oberflächen implementiert und die Photolumineszenz des TMDCs untersucht. Diese Arbeit belegt die Möglichkeit, Einzelphotonenquellen basierend aufWSe2 -Monolagen auf verschiedenste Weise modulieren zu können. Dank ihrer zwei- dimensionalen Geometrie lassen sie sich einfach in bestehende Strukturen integrieren oder auch in der Zukunft mit weiteren 2D-Materialien kombinieren.},
  subject      = {Einzelphotonenemission},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Suchomel2022,
  author    = {Suchomel, Holger Maximilian},
  title     = {Entwicklung elektrooptischer Bauteile auf der Basis von Exziton-Polaritonen in Halbleiter-Mikroresonatoren},
  doi       = {10.25972/OPUS-27163},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-271630},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Exziton-Polaritonen (Polaritonen), hybride Quasiteilchen, die durch die starke Kopplung von Quantenfilm-Exzitonen mit Kavit{\"a}tsphotonen entstehen, stellen auf Grund ihrer vielseitigen und kontrollierbaren Eigenschaften einen vielversprechenden Kandidaten f{\"u}r die Entwicklung einer neuen Generation von nichtlinearen und integrierten elektrooptischen Bauteilen dar. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung kompakter elektrooptischer Bauelemente auf der Basis von Exziton-Polaritonen in Halbleitermikrokavit{\"a}ten. Als erstes wird die Implementierung einer elektrisch angeregten, oberfl{\"a}chenemittierenden Polariton-Laserdiode vorgestellt, die ohne ein externes Magnetfeld arbeiten kann. Daf{\"u}r wird der Schichtaufbau, der Q-Faktor, das Dotierprofil und die RabiAufspaltung der Polariton-Laserdiode optimiert. Der Q-Faktor des finalen Aufbaus bel{\"a}uft sich auf Q ~ 16.000, w{\"a}hrend die Rabi-Aufspaltung im Bereich von ~ 11,0 meV liegt. Darauf aufbauend werden Signaturen der Polariton-Kondensation unter elektrischer Anregung, wie ein nichtlinearer Anstieg der Intensit{\"a}t, die Reduktion der Linienbreite und eine fortgesetzte Verschiebung der Emission zu h{\"o}heren Energien oberhalb der ersten Schwelle, demonstriert. Ferner werden die Koh{\"a}renzeigenschaften des Polariton-Kondensats mittels Interferenzspektroskopie untersucht. Basierend auf den optimierten Halbleiter-Mikroresonatoren wird eine Kontaktplattform f{\"u}r die elektrische Anregung ein- und zweidimensionaler Gitterstrukturen entwickelt. Dazu wird die Bandstrukturbildung eines Quadrat- und Graphen-Gitters unter elektrischer Anregung im linearen Regime untersucht und mit den Ergebnissen der optischen Charakterisierung verglichen. Die erhaltenen Dispersionen lassen sich durch das zugeh{\"o}rige Tight-Binding-Modell beschreiben. Ferner wird auch eine elektrisch induzierte Nichtlinearit{\"a}t in der Emission demonstriert. Die untersuchte Laser-Mode liegt auf der H{\"o}he des unteren Flachbandes und an der Position der Γ-Punkte in der zweiten Brillouin-Zone. Die zugeh{\"o}rige Modenstruktur weist die erwartete Kagome-Symmetrie auf. Abschließend wird die Bandstrukturbildung eines SSH-Gitters mit eingebautem Defekt unter elektrischer Anregung untersucht und einige Eigenschaften des topologisch gesch{\"u}tzten Defektzustandes gezeigt. Dazu geh{\"o}rt vor allem die Ausbildung der lokalisierten Defektmode in der Mitte der S-Bandl{\"u}cke. Die erhaltenen Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in der Realisierung eines elektrisch betriebenen topologischen Polariton-Lasers dar. Abschließend wird ein elektrooptisches Bauteil auf der Basis von Polaritonen in einem Mikrodrahtresonator vorgestellt, in dem sich die Propagation eines PolaritonKondensats mittels eines elektrostatischen Feldes kontrollieren l{\"a}sst. Das Funktionsprinzip des Polariton-Schalters beruht auf der Kombination einer elektrostatischen Potentialsenke unterhalb des Kontaktes und der damit verbundenen erh{\"o}hten ExzitonIonisationsrate. Der Schaltvorgang wird sowohl qualitativ als auch quantitativ analysiert und die Erhaltenen Ergebnisse durch die Modellierung des Systems {\"u}ber die GrossPitaevskii-Gleichung beschrieben. Zus{\"a}tzlich wird ein negativer differentieller Widerstand und ein bistabiles Verhalten in der Strom-Spannungs-Charakteristik in Abh{\"a}ngigkeit von der Ladungstr{\"a}gerdichte im Kontaktbereich beobachtet. Dieses Verhalten wird auf gegenseitig konkurrierende Kondensats-Zust{\"a}nde innerhalb der Potentialsenke und deren Besetzung und damit direkt auf den r{\"a}umlichen Freiheitsgrad der PolaritonZust{\"a}nde zur{\"u}ckgef{\"u}hrt.},
  subject      = {Drei-F{\"u}nf-Halbleiter},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Betzold2022,
  author    = {Betzold, Simon},
  title     = {Starke Licht-Materie-Wechselwirkung und Polaritonkondensation in hemisph{\"a}rischen Mikrokavit{\"a}ten mit eingebetteten organischen Halbleitern},
  doi       = {10.25972/OPUS-26665},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-266654},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Kavit{\"a}ts-Exziton-Polaritonen (Polaritonen) sind hybride Quasiteilchen, die sich aufgrund starker Kopplung von Halbleiter-Exzitonen mit Kavit{\"a}tsphotonen ausbilden. Diese Quasiteilchen weisen eine Reihe interessanter Eigenschaften auf, was sie einerseits f{\"u}r die Grundlagenforschung, andererseits auch f{\"u}r die Entwicklung neuartiger Bauteile sehr vielversprechend macht. Bei Erreichen einer ausreichend großen Teilchendichte geht das System in den Exziton-Polariton-Kondensationszustand {\"u}ber, was zur Emission von laserartigem Licht f{\"u}hrt. Organische Halbleiter als aktives Emittermaterial zeigen in diesem Kontext großes Potential, da deren Exzitonen neben großen Oszillatorst{\"a}rken auch hohe Bindungsenergien aufweisen. Deshalb ist es m{\"o}glich, unter Verwendung organischer Halbleiter selbst bei Umgebungsbedingungen {\"a}ußerst stabile Polaritonen zu erzeugen. Eine wichtige Voraussetzung zur Umsetzung von integrierten opto-elektronischen Bauteilen basierend auf Polaritonen ist der kontrollierte r{\"a}umliche Einschluss sowie die Realisierung von frei konfigurierbaren Potentiallandschaften. Diese Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Entwicklung und der Untersuchung geeigneter Plattformen zur Erzeugung von Exziton-Polaritonen und Polaritonkondensaten in hemisph{\"a}rischen Mikrokavit{\"a}ten, in die organische Halbleiter eingebettet sind.},
  subject      = {Exziton-Polariton},
  language  = {de}
}