Masterarbeiten

Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Physik

Raumladungszonen-basierte Sauerstoffsensoren aus dotierten SrTiO3 Dünnfilmen

Bildung einer Raumladungszone bei erhöhtem Sauerstoffpartialdruck sowie die Widerstandsreaktion eines n-SrTiO3 Dünnfilms auf verschiedene Sauerstoffpartialdrücke.

In dieser Masterarbeit sollen donatordotierte SrTiO3 (n-SrTiO3) Dünnfilme auf ihre Eignung zur Anwendung als Sauerstoffsensoren untersucht werden. An der Oberfläche von n-SrTiO3, entsteht bei erhöhten Temperaturen und sauerstoffreicher Atmosphäre eine Raumladungszone in der Elektronen verarmt werden. Erste Untersuchungen zeigen bereits, dass die Verarmung der Elektronen bei Dünnfilmen im Nanometerbereich zu einer Veränderung des in-plane Widerstandes führen. Dünnfilme verschiedener Dotierstoffkonzentrationen sollen mittels Pulsed Laser Deposition hergestellt und topographisch (AFM) und elektrisch (Hall) charakterisiert werden. In anschließenden dynamischen Experimenten soll die Widerstandsänderung dieser Dünnfilme bei Temperaturen zwischen 200 °C und 500 °C und verschiedenen Sauerstoffpartialdrücken genauer untersucht werden.

Das Masterprojekt umfasst folgende Aufgaben:

  • Herstellung epitaktischer SrTiO3 Schichten verschiedener Dotierstoffkonzentration und Schichtdicken mittels Pulsed Laser Deposition
  • Elektrische und topographische Charakterisierung der hergestellten Filme
  • Durchführung dynamischer Hochtemperatur-Widerstandsmessungen

Wir freuen uns auf Ihre Bewerbung für dieses spannende Projekt!

Voraussetzungen:

Gute Kenntnisse in Festkörperphysik
Spaß an interdisziplinärer Arbeit
Experimentelles Geschick
Teamfähigkeit

Ansprechpartner:

Dr. Felix Gunkel/Michael Andrä, M.Sc.

Peter Grünberg Institut (PGI-7) – FZ Jülich

Tel: 02461-61-5339 oder 02461-61-6302

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oder

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22.08.2017

Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Numerische Simulation von ReRAM Doppelschichten

Resistive Speicherzellen (ReRAMs) gehören zu den nichtflüchtigen Datenspeichern, die aufgrund ihres niedrigen Energieverbrauchs, ihrer Skalierbarkeit und ihrer schnellen Schaltzeiten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Speicherkonzepte gelten. Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann.

Die Verwendung von zwei verschiedenen Oxiden als Zweischichtsystem, sogenannten Bilayern, zur Optimierung der Schalteigenschaften ist Gegenstand aktueller Forschung. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein bestehendes dynamisches 1D-Modell eines Heteroüberganges erweitert und auf die Schalteigenschaften hin untersucht werden. Im Modell werden Poissongleichung und die Kontinuitätsgleichung für Elektronen gekoppelt gelöst. Des Weiteren werden die lokalen Temperatur und der Ionentransport berechnet. Zur Simulation wird die kommerzielle Software COMSOL basierend auf der Finite-Elemente-Methode eingesetzt.

Voraussetzungen:

Interesse an der Modellierung physikalischer Prozesse
Grundkenntnisse in Festkörperphysik
Selbständige Arbeitsweise
Von Vorteil, jedoch nicht notwendig sind Grundkenntnisse in COMSOL

Ansprechpartner:

Camilla La Torre M.Sc.

Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 (IWE-2) – RWTH Aachen University
Walter-Schottky-Haus 18/24, Raum 24C 415

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Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Schaltkinetik resistiver Speicherzellen

Ziel: Untersuchung der Kinetik von resistiven Speicherzellen und dessen physikalischen Limitationen anhand schneller Pulsmessungen in Abhängigkeit der Elektrodenmaterialen.

Resistive Speicherzellen (ReRAMs) gelten als vielversprechende Kandidaten als zukünftige Datenspeicher, welche DRAM sowie Flash ablösen könnten. Das Funktionsprinzip beruht dabei darauf, dass der elektrische Widerstand der Speicherelemente durch Anlegen einer Spannung um mehrere Größenordnungen reversibel veränderbar ist.

Unter Anderem stehen sogenannte elektrochemische Metallisierungszellen (ECM) im Fokus aktueller Forschung. Solche Zellen bestehen zumeist aus einem ionenleitenden Festkörper der auf makroskopischer Ebene isolierende Eigenschaften aufweist, sowie aus zwei Elektroden unterschiedlicher Materialien. Hierbei ist eine Elektrode elektrochemisch aktiv und kann durch Anlegen einer Spannung ein leitendes Filament zwischen beiden Elektroden ausbilden wobei der Widerstand abnimmt.

Im Rahmen dieser Arbeit soll das Materialsystem Siliciumdioxid - Kupfer mit unterschiedlichen Materialien als Gegenelektrode mittels Pulsmessungen analysiert und charakterisiert werden. Anhand unterschiedlicher Pulslängen soll dabei die Schaltkinetik solcher ECM-Zellen nachvollzogen werden.

Hierfür verfügt das Institut über die nötigen Herstellungsverfahren unter Reinraumbedingung und geeignetete Messinstrumente zur elektrischen Charakterisierung. Diese Arbeit ist zudem eng mit unserer Simulationsgruppe verknüpft, sodass ein reger Ideenaustausch gegeben ist und ein Vergleich der Ergebnisse mit einem bestehenden Modell möglich und wünschenswert ist.

Der Schwerpunkt der Arbeit soll, neben der eigenständigen Herstellung der Zellen mittels gängiger Mikrochipherstellungsverfahren, hauptsächlich auf der elektrischen Charakterisierung liegen.

Voraussetzungen:

Interesse und Spaß an experimenteller, interdisziplinärer Arbeit, Teamfähigkeit, Selbstständige Arbeitsweise, Von Vorteil, jedoch nicht notwendig: Grundkenntnisse in Chemie.

Ansprechpartner:

Michael Lübben M.Sc.

WSH - Raum 24 B 007

Tel: 0241 80-27817

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oder:

Dr. Ing. Stephan Menzel

WSH – Raum 24C413

Tel: 0241 80-27741

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Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Physik

2-D Elektronengas-basierte Sauerstoff­sensoren aus Oxid-Heterostrukturen

Atomar-definierte Oxidheterostruktur mit 2D-Elektronengas, das an der Grenzfläche der zwei angrenzenden Materialien entsteht. Das 2DEG soll als Sauerstoffsensor getestet und charakterisiert werden.

In dieser Masterarbeit werden 2-dimensionale Elektronengase (2DEGs) in Oxid-Schichtsystemen realisiert. Die 2D-Gase werden durch die Herstellung von atomar-definierten Grenzflächen zwischen zwei Oxidschichten erzeugt und grundlegend charakterisiert. Die Eigenschaften der 2DEGs sollen dann in Abhängigkeit der äußeren Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 300°C und 800°C untersucht werden. In dynamischen Messungen, bei denen die umliegende Atmosphäre schlagartig verändert werden kann, soll die Eignung der 2DEG-basierten Oxid-Heterostrukturen als Hochtemperatur-Sauerstoffsensor getestet und die zugrunde liegenden atomistischen Prozesse charakterisiert werden.

Das Masterprojekt beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Herstellung von Oxid-Schichten mittels gepulster Laserdeposition
  • Durchführung von dynamischen Hochtemperatur-Experimenten
  • Spektroskopische Untersuchung mittels Photoelektronen-Spektroskopie
  • Direkte Mitwirkung an einem internationalen Forschungsprojekt

Wir freuen uns auf Ihre Mitwirkung an diesem spannenden Projekt!

Voraussetzungen: Gute Kenntnisse in Festkörperphysik, Spaß an interdisziplinärer Arbeit, experimentelles Geschick, Fähigkeit zur Teamarbeit in einem internationalen Umfeld.

Ansprechpartner

Dr. Felix Gunkel

Tel: 02461-615339

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Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Untersuchung der Schaltkinetik in resistiv schaltenden SrTiO3 Zellen

Resistive nanoionische Speicher (ReRAMs) bilden eine Gruppe von multifunktionalen, hochdichtenund ultraschnellen Speichern, die künftig als Ersatz u.a. für Flash-Speicher oder in sogenanntenneuromorphen Systemen eingesetzt werden können. Das Speicherkonzept von ReRAMs beruht aufeiner Widerstandsänderung des aktiven Materials auf der Nanometer Skala. DieseWiderstandsänderung in Metall-Isolator-Metall-Strukturen entsteht durch elektrisch-induziertelokale Redoxreaktionen in Übergangsmetalloxiden. Dabei können die Schaltphänomene mitunterschiedlicher Spannungspolarität erzeugt werden.

Oxid-Clusteranlage am PGI-7

Beispielhafte Pulslängenabhängigkeit der Schaltspannungen für SrTiO3 Zellen

Während der Schaltprozess in der sogenannten counter-eightwise Schaltrichtung („An-Schalten” mitnegativen Spannungen) sehr gut charakterisiert und verstanden ist, sind die Details des eightwise-Schaltvorgangs („An-Schalten” mit positiven Spannungen) noch unklar. Im Rahmen der Masterarbeitsoll die Kinetik des Schaltvorgangs durch Spannungspulse mit Pulslängen über vieleGrößenordnungen untersucht werden (Nanosekunden bis Sekunden). Die experimentellen Datenwerden anschließend anhand von Modellen analysiert (z.B. mit dem Mott-Gurney Gesetz fürIonenbewegung in Oxiden und der Butler-Volmer Gleichung für Elektrodenreaktionen).

Das Masterprojekt wird am IWE2 (RWTH Aachen) und am PGI-7 (Forschungszentrum Jülich)durchgeführt und beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Herstellung epitaktischer SrTiO3 Schichten mittels gepulster Laserdeposition am electronic oxide cluster in Jülich (aktive Schicht der Bauelemente)
  • Strukturierung von Speicherzellen durch Fotolithografie
  • Elektrische Charakterisierung der SrTiO3 Speicherzellen durch Strom-Spannungs-Sweeps und Spannungespulse im Bereich von Nanosekunden bis Sekunden
  • Analyse der Schaltkinetik anhand mathematischer Modelle

Ansprechpartner:

Dr. Christoph Bäumer

Forschungszentrum Jülich GmbH, PGI-7

Tel: 02461-61-5339

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Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Physik

Epitaktische Doppelperowskit-Dünnfilme für die Wasser-Elektrokatalyse

Wasser-Elektrokatalyse an epitaktischen Doppel-Perowskit-Oberflächen

Die effiziente Herstellung von Wasserstoff durch Elektrokatalyse ist zentrale Voraussetzung für die Nutzung von H2 als Energieträger der Zukunft. Dabei wird mittels maßgeschneiderter katalyti-scher Oberflächen Wasser direkt in seine Bestandteile O2 und H2 zerlegt (water splitting). Auf der Suche nach den effizientesten Materialien gehören komplex Oxide und Doppelperowskite zu den aussichtreichsten Kandidaten.

In dieser Masterarbeit sollen epitaktische Dünnschichten mit Nanometerpräzision hergestellt und näher Untersucht werden. Mittels gepulster Laser-Deposition werden dazu Doppelperowskit-Dünnschichten atomar definiert abgeschieden und die katalytischen Eigenschaf-ten untersucht. Ziel der Arbeit ist die Evaluation von „Structure-Property-Relations“ mit besonde-rem Fokus auf die Auswirkung der Sauerstoffunterstöchiomtrie in der Katalysatorschicht.

Das Masterprojekt beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Herstellung epitaktischer Filme mittels gepulster Laserdeposition (Laser-MBE) und Varia-tion der Dünnfilm-Stöchiometrie und Orientierung
  • Elektrische und strukturelle Charakterisierung der Schichten (Transport, AFM und XRD)
  • Elektrochemische Charakterisierung der katalytischen Aktivität
  • Evaluation von der Funktionsmaterialien Schichten als katalytisches Oxid

Voraus­setzungen: Gute Kenntnisse in Festkörperphysik, Spaß an interdisziplinärer Arbeit, Experimentelles Geschick, Fähigkeit zur Teamarbeit in einem internationalen Umfeld.

Wir freuen uns auf Ihre Bewerbung für dieses spannende Projekt!

Ansprech­partner:

Dr. Felix Gunkel

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Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Chemie/Physik

Defektchemie von neuartigen auf Ba und Co basierten Elektrokatalysatoren zur Wasserelektrolyse

Ziel: Aufklärung der Defektchemie in neuartigen Perovskit-Katalysatoren durch elektrische Charakterisierung.

Die Energiewende benötigt technische Lösungen zur Pufferspeicherung von umweltabhängigen, erneuerbaren Energien zur Anpassung der eingespeisten Leistung an den Strombedarf der Verbraucher um die Flexibilität der Stromproduktion von z.B. Kohlekraftwerken zu ersetzen.

Eine vielversprechende Lösung ist die Erzeugung von Wasserstoff mithilfe der elektrokatalytischen Wasseroxidation (Wasserelektrolyse). So erzeugter Wasserstoff kann eingelagert und bei Bedarf über Brennstoffzellen wiederum in Energie umgewandelt werden. Momentan mangelt es jedoch an kostengünstigen Katalysatoren, die geeignet sind einen dauerhaften und effizienten Einsatz zu gewährleisten. Das größte Verbesserungspotential wird an der Sauerstoffanode gesehen, weshalb sich diese Masterarbeit mit einem Materialsystem beschäftigt, dass für die Sauerstoffentwicklung entwickelt wurde.

Eine Abschlussarbeit in diesem Themenbereich würde folgende Aspekte beinhalten:

  • Herstellung und Lithografie von Dünnen Schichten
  • Elektrische, strukturelle und elektrochemische Charakterisierung
  • Auseinandersetzung mit Modellen der Defektchemie

Voraussetzungen

Zuverlässigkeit; Lösungsorientiertes Denken; Grundkenntnisse der Festkörper- und Oberflächenphysik sowie der physikalischen und der allgemeinen Chemie; Überdurchschnittliche Studienleistungen; Spaß an experimenteller, multidisziplinärer Arbeit in gruppenübergreifenden Teams.

Ansprechpartner

Daniel Bick

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oder: Dr. Ilia Valov

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Masterarbeit in
Elektrotechnik/Physik

Modellierung memristiver Speicherzellen (ReRAMs)

Aufbau mit Temperaturverteilung während des Schlatens (rechts, Quelle: A. Marchewka) und Konzentrationsprofile der mobilen Spezies (rechts) einer resistiven Speicherzelle

Ziel: Modellierung des dynamischen Schaltverhaltens von memristiven Speicherzellen für künftige nichtflüchtige Tbit-Speicher

Aufgrund ihrer schnelleren Schaltzeiten, ihres niedrigeren Energieverbrauchs und ihrer guten Skalierbarkeit gelten memristive Speicherzellen (ReRAMs) als potentielle Nachfolger der Flash-Speicher für die nächste Generation nichtflüchtiger Speicherbauelemente. ReRAMs sind Metall-Oxid-Metall-Strukturen, deren Widerstand durch Anlegen einer Spannung oder eines Stromes zwischen einem hochohmigen Zustand (OFF-Zustand der Zelle) und einem niederohmigen Zustand (ON-Zustand) geschaltet werden kann. Ein solches Schaltverhalten zeigen z. B. Zellen mit Ta2O5 als aktivem Material zwischen den Metallelektroden.

In dieser Arbeit soll ein Simulationsmodell entwickelt werden, das das dynamische Verhalten einer resistiven Speicherzelle beschreibt. Dazu soll ein bestehendes Modell, das die Drift und Diffusion der beweglichen Ladungsträger im Oxid beinhaltet, um mögliche Reoxprozesse zwischen Elektrode und Oxidmaterial (z.B. Oxidation/Reduktion der Metallelektrode) erweitert werden und anschließend das Schaltverhalten anhand von Simulationen untersucht werden.

Voraussetzungen:

Interesse an der Modellierung physikalischer Vorgänge, Programmierkenntnisse in C/C++, MATLAB sind hilfreich.

Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Stephan Menzel

WSH - Raum 24C413

Tel: 0241 80-27741

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Masterarbeit in
Materialwissenschaften/Physik

Wachstum ferroelektrischer Heterostrukturen für die in-situ PEEM-Analyse

Kennziffer: D078/2015

Ferroelektrische bzw. multiferroische Heterostrukturen sind von großen Interesse für zukünftige multifunktionale nanoelektronische Bauelemente. Das Verständnis der physikalischen Prozesse und Kopplungen an der Grenzfläche zwischen Ferroelektrikum und Metallelektrode ist für die Weiterentwicklung dieser Bauelemente von ganz zentraler Bedeutung. Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen ferroelektrische Bauelemente hergestellt werden, deren Geometrie es ermöglicht, die elektronische Struktur der Grenzfläche mittels spektromikroskopischer Methoden (PEEM) in verschiedenen Polarisationszuständen zu untersuchen

Das Masterprojekt beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Herstellung epitaktischen BaTiO3-Schichten mittels Laser-MBE
  • Charakterisierung der Schichten mittel Piezoresponse Rasterkraftmikroskopie (PFM)
  • Herstellung und Test ferroelektrischer Kondensatorstukturen für den in-situ-Betrieb während der PEEM-Analyse
  • Teilnahme an einer PEEM-Synchrotron Strahlzeit in Trieste (Elettra) bzw. Berlin (BESSY)

Voraussetzungen:

Gute Kenntnisse in Festkörperphysik
Spaß an interdisziplinärer Arbeit
Experimentelles Geschick
Fähigkeit zur Teamarbeit in einem internationalen Umfeld

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Regina Dittmann

Forschungszentrum Jülich GmbH, PGI-7

Tel: 02461-614760

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oder:

Prof. Dr. Claus M. Schneider

Forschungszentrum Jülich GmbH, PGI-6

Tel: 02461-614428

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31.07.2015