Fortgeschrittenen-Praktikum

Fortgeschrittenen-Praktikum Stufe 1 (FP 1)

Experimentalphysik: Laborpraktikum und Blockkurse

Liste der FP-Experimente

1. AFM (G. Fessler 3.02) (pdf)
2. Alpha-Reichweite (Y. Marghrbi 2.12) (pdf)
3. Alpha-Spektroskopie (Y. Marghrbi 2.12)(pdf)
4. Arbeit Elektron-Loch Paar (M. Kisiel 3.04)
5. Beta-Spektrum (Y. Marghrbi 2.12)(pdf)
6. Cerenkov/Kosmische Strahlung (Y. Marghrbi 2.12) (pdf)
7. Compton (S. Kawai 3.04)(pdf)
8. Dielektrizitäskonstante (M. Kisiel 3.04) (pdf)
9. DK mit 3 cm Wellen^* (M. Langer 3.02)(pdf)^*
10. Diffusion (H.P. Lang 3.23)
11. Eigenleitung von Germanium (T. Glatzel 3.04) (pdf)
12. Einzelmoleküldetektion (T. Froehlich 0.25)^*
13. Elektronenspinresonanz (M. Montinaro 3.05b)
14. Elektronendiffraktion (T. Froehlich 0.25) ^*
15. Field Programmablee Gate Array^* (S. Kawai 3.04)
16. Fluoreszenz (T. Froehlich 0.25)
17. Franck-Hertz (S. Koch 3.02) (pdf)
18. Gyroskop (M. Langer 3.02)(pdf)
19. Plasma Chamber (B. Eren 3.02) (pdf)
20. Hall-Effekt von Germanium (T. Glatzel 3.04)(pdf)
21. Holographie (T. Froehlich 0.25)
22. Interferenz nach Pohl (H.P. Lang 3.23)
23. Kennlinien von Solarzellen (G. Günzburger 3.04)
24. Kernresonanz (M. Montinaro 3.05b)
25. Laser (S. Koch 3.02)^*
26. Michelson Interferometer (H.P. Lang 3.23)
27. Muon Lebensdauer (U. Gysin 3.05) ^*
28. Organische Solarzellen (T. Glatzel 3.05)
29. Operationsverstärker (A. Tonin 3.25) (pdf)
30. Röntgendiffraktion^* (T. Glatzel 3.04)
31. Rutherford-Streuung (M. Langer 3.02) (pdf)
32. Skin-Effekt (G. Fessler 3.02) (pdf)
33. Stern-Gerlach (U. Gysin 3.05)^*
34. Spezifische Wärme (T. Glatzel 3.04)^*
35. Stefan-Boltzmann (M. Kisiel 3.05)(pdf)
36. STM (G. Fessler 3.02)
37. Supraleitung (H.P. Lang 3.23)
38. Time of Flight Mass Spectrometer (S. Kawai 3.04)
39. Tribolumineszenz^* (G. Fessler 3.02)
40. US-Interferometer (E. Gnecco 3.01a) (pdf)
41. Ultraschall Beugung (T. Glatzel 3.04) (pdf: english, deutsch)
42. Vierpol (T. Glatzel 3.04) (pdf)
43. Vakuum (T. Glatzel 3.04) (pdf)
44. Vibrationsmagnetometer VSM ^*(S. Nau 1.25) (pdf)
45. Wärmeleitung (M. Kisiel 3.05)
46. Zeeman-Effekt ^*(S. Kawai 3.04) ^*

1. Carbon Nanotubes (Ch. Schönenberger)
   
   Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind Nanoröhrchen im wahrsten Sinne des Wortes. Die kleinsten dieser Röhren haben einen Durchmesser von nur einem Nanometer und können dennoch in makroskopischer Länge gewachsen werden. Diese Röhren weisen beeindruckende Eigenschaften auf: mechanisch sind sie vergleichbar widerstandsfähig wie Diamant; elektrisch können sie den Strom leiten wie kein anderer Draht mit vergleichbaren Abmessungen. In diesem Kurs werden sie selbst solche Carbon Nanotubes herstellen. Zur Charakterisierung werden Sie Mikroskopietechniken verwenden, und zwar Rastersondenmikroskopie und Elektronenmikroskopie.


2. Integer and Fractional Quantum Hall Effect (S. Oberholzer, D. Zumbühl)
   
   Take a gas of electrons confined in a nano scale 2D layer in an appropriate material and apply a strong magnetic field perpendicular to the 2D plane. Classically, due to the Lorentz Force, the electrons move in circles in the 2D plane. Quantum mechanically, however, in clean enough samples at low enough temperatures, this results in the integer and fractional quantum Hall effects, which are manifest in measurable electrical properties as plateaus at integer or fractional multiples of the conductance quantum e2/h (see Nobel prizes 1985 (integer effect) and 1998 (fractional effect)). In this course, you will work with a dilution refrigerator to cool down a GaAs 2D electron gas Hall bar to millikelvin temperatures in order to study both integer and fractional quantum hall effects. You will run the experiment using our computerized experimental control and data acquisition system.


3. Nanolithographie (Ch. Schönenberger )
   
   Integrierte Schaltkreise (sog. IC’s) werden mittels Lithographieverfahren in Silizium gefertigt. Strukturen (z.B. metallische Leiterbahnen, Transistoren) werden mit Abmessungen im Submikrometerbereich gefertigt (Nanolithographie). In der Forschung versuchen wir, möglichst kleine Strukturen an der Grenze des Machbaren zu erzeugen und deren Eigenschaften zu charakterisieren. Dieser Kurs soll einen Einblick in diese Strukturverfahren vermitteln. Es wird versucht, Sie während den drei Wochen in ein laufendes Projekt zu integrieren. Dabei werden Sie mit folgenden Verfahren (Apparaturen) in Berührung kommen: Belackung von Si-Substraten; Bestimmung der Schichtdicke; optische- und/oder Elektronenstrahl-Lithographie; Plasmaätzen (subtraktives Verfahren); Aufdampfen von Metallschichten und lift-off Prozess (additives Verfahren); Rasterelektronenmikroskopie.


4. Break junctions (Ch. Schönenberger )
   
   Mechanically controllable break junctions allow to form and study atomic contacts at room temperature. They can be used as a tool to form nanogaps for the electrical characterization of single molecule devices. In this course, the students will prepare break junctions built from small metallic wires and study their behavior during the breaking process in a three-point bending mechanism. Conductance quantization shall be observed for distinct metals such as gold, silver, copper, etc. To perform the electrical transport measurements, the participants will also learn how to develop a small Labview program to properly interface a data acquisition (DAQ) board. In order to obtain reliable results, the processes studied require a statistical approach. The participants will therefore also perform data analysis which will include the preparation and comparison of conductance histograms for the different metals investigated.


5. Noise (Z.-M. Wu, S. Oberholzer, C. Schönenberger)
   
   Any electrical device shows fluctuations leading to the appearance of a noise voltage. This even happens in equilibrium and is due to the electrons jiggling around driven by thermal energies. In the blockkurs, you have the task to measure thermal equilibrium noise of a resistor at room temperature. We will aim at writing a acquisition program that allows to measure this quantity in a convenient wav.


6. Scanning Probe Microscopy (E. Meyer, T. Glatzel)
   
   Im ersten Teil wird ein STM (scanning tunneling microscope) selbst gebaut und in Betrieb genommen. (Bau eines Vorverstärkers, Zusammenbau der Mechanik, Verdrahtung). Ziel ist es stabile Tunnelstrom-Bedingungen zu erreichen und einige Proben an Luft zu messen. Im zweiten Teil wird das AFM (atomic force microscope) an Luft in Betrieb genommen. Es werden die verschiedenen Messmoden (contact mode, tapping mode, nc-AFM, Kelvin) betrieben. Schliesslich wird eine Einführung in die Vakuumtechnik mit praktischen Experimenten gegeben (Druckmessung, Pumpsysteme, Dichtungen). In der letzten Woche wird am UHV-AFM (ultrahigh vacuum atomic force microscope) eine Messung an einer isolierenden Oberfläche durchgeführt.


7. Messen, Regeln, Steuern (T. Gyalog, H.-R. Hidber, E. Meyer)
   
   Modernste Messmethoden, wie sie in der aktuellen Forschung verwendet werden, sollen erklärt werden und im Labor mit Hilfe von elektronischen Bauteilen und der Software LABVIEW angewendet werden. Anwendungen aus der Klassischen Physik und der Festkörperphysik werden diskutiert. Der Inhalt umfasst folgende Themen: Sensoren, Elektronische Halbleiter-Bausteine, Aktivatoren, Elektronische (analoge) Datenverarbeitung: OpAmp, Filter, Messung kleiner Signale, DACs und ADCs, Regelkreise, Lock-In Technik, Real-Time Daten-Analyse. Der Stoff wird schrittweise aufgebaut. Lösungen aus vorangehenden übungen werden später jeweils wieder verwendet.


8. Nanoworld (M. Guggisberg)
   
   Exploring the Nanoworld: An Introduction into some of the most exciting research topics at the Nanometer Scale Topics: Imaging and Visualization, Nano-electrochemistry, Remote Atomic Force Microscope, Friction Force Microscopy, Confocal microscopy on Fluorescent Dipoles.


9. Nanomaterialien und Elektronenspektroskopie (L. Marot, E. Meyer)
   
   Im Rahmen dieses Blockkurses werden plasmagestützte Techniken angewendet, um nanostrukturierte Materialien herzustellen. Die abgeschiedenen Materialien werden in-situ bezüglich ihrer Zusammensetzung und ihres chemischen Aufbaus mit Photoelektronenspektroskopie (PES) charakterisiert. Kursthemen: Schichtabscheidung: Methoden der vakuumgestützten Schichtabscheidung, plasmagestützte CVD ('chemical vapor deposition') Abscheidung, Magnetronsputtering, kombinierte Methoden zur Herstellung nanostrukturierter Materialien, Ausblick auf andere Schichtabscheidungsmethoden. Prozessüberwachung: in-situ, 'real-time' überwachung der Schichtabscheidung mit Reflektometrie. Allgemeine Schichtcharakterisierung: Schichtdickenmessung durch Profilometrie und Vergleich mit optischen Methoden, Untersuchung der Schichttopographie mit Rasterelektronenmikroskopie und Rastersensormethoden. Photoelektronenspektroskopie: allgemeine Grundlagen der PES (Mechanismus, einfache Modelle, Anwendung der PES), Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Schichten mit in-situ Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS), Identifizierung von chemischen Bindungen, Methoden zur Bestimmung der Nanostruktur von Nanokompositmaterialien.


10. Oberflaechenphysikalische und chemische Methoden zur Erzeugung und Charakterisierung von atomar definierten Nanostrukturen an Oberflaechen. (K. Mueller, M. Stoehr, T. A. Jung)
    
    Anhand eines konkreten Projektes mit Bezug zu aktuellen Forschungsthemen wird selbstaendig mit Oberflaechenphysikalischen und Oberflaechenchemischen Praeparationstechniken, Instrumenten und Charakterisierungstechniken gearbeitet. Einkristalloberflaechen werden atomar sauber praepariert, mit Elektronendiffraktion (engl. LEED), und Oberflaechenspektroskopie (engl. XPS, UPS) charakterisiert und mit ultraduennen Materialschichten (Molekulare Materialien / Isolatoren ) bedeckt. Mit dem Rastertunnelmikroskop werden die so erzeugten Oberflaechen abgebildet und die Daten analysiert und interpretiert. In Kombination dieser Methoden kann die atomare wie auch die elektronische ‚Struktur’ und chemische Koordination von atomen und Molekuelen an Oberflaechen erarbeitet werden. Fuer den Bericht soll unter Anleitung und selbstaendig die aktuelle wissenschaftliche Literatur gesucht werden, und ein fokussierter Aspekt anhand der verfuegbaren Daten interpretiert und diskutiert werden. Dieser Blockkurs wird nach Absprache mit der Organisation am PSI durchgefuehrt. Dort ist die Arbeit in die laufenden Experimente mit Photonen der Swiss Light Source (SLS) oder in Industrierelevante Projekte integrierbar. Vorzugsweise belegen Interessenten einen Doppelblock (zwei Blockkurse hintereinander) zu diesem Thema.


11. Quantum Point Contacts (D. Zumbühl)
    
    What happens to the electrical conductance of a wire if its width is reduced from macroscopic dimensions to nano scale sizes? The conductance of a macroscopic wire is proportional to its width. However, if the width becomes small enough, quantum physics will become dominant. The conductance is then no longer proportional to the width of the wire. In large magnetic fields, direct consequences of the electron spin on the wire conductance can also become apparent. A quantum point contact is an example of such a narrow wire where quantum effects become dominant. We will either provide an appropriate sample, or, in the GaAs nano lithography course, you may participate in the fabrication of such a device on a GaAs 2D electron gas using nano-patterened surface gate structures. In order to observe quantum effects, low temperatures are often required. In this course, you will work with a dilution refrigerator to cool down a GaAs quantum point contact device to millikelvin temperatures in order to study electrical properties of the wire and investigate the quantum physics of this nano scale device and how it depends on magnetic fields, temperature and applied voltage. You will run the experiment using our computerized experimental control and data acquisition system. Recommended (but not necessary) prerequisite is the GaAs nano lithography course.


12. Quantum Dots (D. Zumbühl)
    
    A quantum dot is a nano scale object on which a small number of electrons can be confined in all three spatial dimensions, with the possibility of attaching leads for measuring current through the dot. Because of the nano scale size, the behavior of the dot is radically different from macroscopic objects, displaying quantum mechanical effects such as discrete energy levels (size quantization) as well as classical size effects such as Coulomb Blockade. The electron spin can also be important in transport through quantum dots (e.g. Kondo effect). We will either provide an appropriate quantum dot sample, or, in the GaAs nano lithography course, you may participate in fabrication of such a device on a GaAs 2D electron gas using nano patterned surface gate structures. These hallmark effects of nano scale physics are best observed at millikelvin temperatures. In this course, you will work with a dilution refrigerator to cool down a GaAs quantum dot to millikelvin temperatures in order to study electrical transport properties and investigate the quantum physics of this nano scale device and how it depends on magnetic fields, temperature and applied voltage. You will run the experiment using our computerized experimental control and data acquisition system. Recommended (but not necessary) prerequisite is the GaAs nano lithography Course.


13. GaAs Nano Fabrication (D. Zumbühl)
    
    GaAs materials and 2D electron gases and transistors are in use today in various commercial applications, for example high frequency amplifiers as used in cell-phones, and are also of great interest for fundamental nano scale physics research. Therefore, fabrication of GaAs nano scale structures is of great importance, and the goal of this course is to teach fundamental techniques for nano fabrication on GaAs and give a hands-on experience by making some simple GaAs nano structures. The standard techniques include electron beam lithography on GaAs wafers, III-V compound etching of nano structures, optical lithography and resist spinning and developing methods. You may either participate in fabrication of ongoing research projects or participate in fabrication of a nano structure to be used for one of the nano physics experiment blockcourses (quantum point contacts, quantum dots, quantum hall effect).