Bachelorarbeiten am Institut für Materialphysik

At the IMP we want to understand how materialproperties emerge from the interactions of singleatoms and to apply this understanding to develop newand better materials for applications such asrenewable energy and information technologies.

IMP: Some of our equipment & research methods

Atom Probe Tomography: With this method we can reconstructthe position of (nearly) single atoms in a material. As shown in thepicture, we use this to probe the structure of LiMn2O4, awidespread battery material.

Thin Film Deposition: To understand howmaterial properties depend on crystallographicstructure, we need high-quality samples withvery precise predefined structures. We areexperts on creating such samples using anumber of different vapor deposition methods.The picture shows a metal/polymer multilayermaterial prepared by us.

In-Situ Electron Microscopy: We are able, using environmental TEM,to observe real-time structural changes in a material at near atomicresolution under the interaction of that material with a gas. Theseexperiments can be used to probe material behavior under conditionswhich are similar to real operation conditions. The picture showshow Pd changes in the presence of hydrogen.

Atomic Scale Modeling: We routinely use computer simulations tocomplement experiments. Simulations provide detailed information,such as particle positions as a function of time, and help tounderstand phenomena occurring in real materials. The pictureshows a molecular dynamics setup to study nano-scale friction.

Elektrochemische Methoden:Wir benutzen elektrochemischeMethoden, um den katalytischenMechanismus von Elektro-katalysatoren zu bestimmen sowiezur Materialsynthese.

Das Bild zeigt Studierende beim Aufnehmen einer Strom-Spannungskennlinien, die auch in anderen Bereichen derPhysik weit verbreitet sind. Die so gewonnenen Einsichten sindwichtig, um die Mechanismen der Energiespeicherung und -wandlung zu verstehen.

What do we study?

• What happens when you put hydrogen in a metal?

• What happens when you charge a battery?

• What happens during an electrocatalytic reaction?

• Can we study the effect of catalysts on the watersplitting reaction directly under an electronmicroscope?

• How do material properties change uponminiaturization toward nanometer length scales?

• Can we fabricate high-quality X-ray optics bypulsed laser deposition?

• What do energy conversion processes look like atthe atomic scale?

At the IMP we want to understand how materialproperties emerge from the interactions of singleatoms and to apply this understanding to developnew and better materials for applications such asrenewable energy and information technologies.

Do you also find these questions interesting? Do youenjoy our introductory lecture “EinführungMaterialphysik” and want to learn more?

Then do your Bachelorarbeit with us!

Nano-Mechanics (Prof. Cynthia Volkert): Mechanical stress can impose huge free energy changes in materials, therebyaltering both the equilibrium and the dynamic behavior, particularly in nanoscale materials. We investigate a variety ofdifferent nanoscale model systems using in-situ electron microscopy and micromechanical testing, with the goal of revealingthe underlying principles controlling material stability, defect dynamics, and energy dissipation.Nanoskalige multifunktionale Oxide: (Prof. Christian Jooß): Komplexe Übergangsmetall-Oxide bzw. Chalogenide zeigen durch das subtile Wechselspiel zwischen elektronischen, Spin- und Gitterfreiheitsgraden sowie den Defektstrukturen eine große Vielfalt von faszinierenden Eigenschaften, die neue Mechanismen der Energiewandlung in thermoelektrischen, photovoltaischen bzw. elektrochemischen Prozessen ermöglichen. Nanostrukturen und Grenzflächen in diesen Materialien ermöglichen dabei die Herausbildung neuartiger und steuerbarer Materialeigenschaften, die für die Energiewandlung von großem Interesse sind.Thermodynamics and Kinetics of Nanoscale Systems (Prof. Astrid Pundt): Thermodynamic and kinetic properties ofalloy thin films, multilayers and clusters differ from that of the related bulk systems. We choose metal-hydrogen (M-H)systems acting as model systems to study general material property changes like phase stabilities or defect generation onthe nanoscale. By changing length scale, geometry and chemistry, the systems’ properties can be tuned and optimized, forexample, for energy storage applications.Defactants (Prof. Reiner Kirchheim): Die Gruppe beschäftigt sich mit grundlegenden Fragestellungen der Materialphysik.Im Vordergrund stehen Arbeiten auf folgenden Gebieten: Thermodynamik von Legierungen, metastabilen Legierungen,Keimbildung und Wachstum.Komplexe dünne Schichten / Laserdeposition (Dr. Sarah Hoffmann-Urlaub): Complex thin films and multilayersconsisting of different materials are of high interest for applications. For their preparation we use the versatile pulsed laserdeposition (PLD) technique allowing us to deposit almost any kind of material.Mechanismen der Energiespeicherung und -Wandlung (Dr. Marcel Risch): Das Ziel unserer Forschung ist es,grundlegende Zusammenhänge zwischen Oxidphysik und den katalytischen Mechanismen der Energiespeicherung und -wandlung zu identifizieren. Von besonderem Interesse sind dabei die Reaktionen der Sauerstoffentwicklung undSauerstoffreduzierung.Atomic Scale Modeling (Dr. Richard Vink): Computer simulations can provide quick insights into material behavior at thefraction of the cost of a real experiment. We are currently modeling AFM friction experiments using molecular dynamics tosee how the underlying material structure affects friction. Our simulations run on high-end computer hardware which we alsomake available to Bachelor students who choose to write their thesis in this field.

IMP research groups

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Bachelorarbeit: Typischer Ablauf

Bachelorbörse / Beratungsgespräche & Kennenlernen Betreuer vor Ort am Institut

Spezialisierungspraktikum (6C)Vorbereitungsphase am Institut(4 Wochen, Schriftlicher Bericht, ~10S, Benotet, s. B.Phy.407)

Bachelorarbeit (12C)Durchführen Experiment o. Simulation, Schreiben Arbeit (14 Wochen insgesamt, davon 10 Wochen Messzeit, 4 Wochen Schreiben, ~ 40S, Benotet)

Falls erwünscht: Abschlussmodul (4C)Sie können sich mit diesem Modul für den Bereich Materialphysik zertifizieren lassen (Vortrag & mdl. Prüfung + Vorleistungen, s. B.Phy.1412)

Nov – Ende WS

Jan - Apr

Sommer

Abgabe Prüfungsamt: Aug/Sep

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What do we offer our Bachelor students?

We offer basic working space to all our Bachelor students. Feel free to visit room D.03.133 to check it out!

As IMP Bachelor student you become integrated into our research groups. In addition to your direct supervisor, we offer you a proper on-boarding where you get to know the whole institute, and we make sure you are updated on our safety regulations.

Extend your horizon: Visit our (almost) weekly Thursday seminar to learn about new topics at the forefront of research in Materials Science. Includes free coffee and cookies!

Being integrated into a research group gives you access to our staff topical meetings. Here you can actively participate by presenting your results, posing questions you might have, thereby directly benefiting from the wealth of knowledge of our experts.

Frühere Bachelorarbeiten

• Effect of the structure on the onset of plasticity in metallic glasses (AG Volkert)

• H-Diffusion in nano-crystalline Mg bulkmaterial (AG Pundt)

• Atomistic Simulations of Elastic and Plastic Deformations in Gold Nanowires(AG Volkert)

• Preparation and Analysis of InsulatingLayers for the 3-Method (AG Jooß)

• Elektrokatalytische Sauerstoffentwicklung an delithierten Manganspinellen (AG Risch)

• Investigation of grain size in ball-milled and heat-treated nano-crystalline Fe in dependence of C content (AG Kirchheim)

XRD apparatus with examplemeasurement of an LSMO sample.

UHV-Tunnelmicroscope(Omicron, Micro).

Titan 80-300 environmental atomic-resolution scanning / transmissionelectron microscope.

Plasma plume during thelaser based depositionof tungsten.

C. Volkert Ch. Jooß A. Pundt R. Kirchheim S. Hoffmann-Urlaub M. Risch R. Vink

Bachelorarbeiten am Institut für Materialphysik

Projekte / Themenbereiche 2017 / 2018

Elektrochemie

Mögliche Bachelor Projekte:

1. Ziel der Arbeit ist es, die Grundlagen elektrochemischer Methoden mittelsausgesuchter Experimente zu vermitteln. Vielfältige Experimente aus der Literatursollen durchgeführt und bewertet werden. Mögliche Experimente sind: Herstellungeiner Referenzelektrode aus einer Batterie, Untersuchung einfacherRedoxprozesse und Impedanzspektroskopie an einfachen Schaltkreisen. Esbesteht auch die Möglichkeit, neue Experimente zu entwerfen.

2. Ziel der Arbeit ist es den doppelt-voltammetrischen Betrieb einer vorhandenenrotierenden Ring-Schreiben Elektrode zu testen. In diesen Experimenten wird einStoff, z.B. Sauerstoff, an der Scheibe katalytisch erzeugt, um diesen dann am Ringzu analysieren. Der doppelt-voltammetrische Betrieb erlaubt es mehrere Produktezu detektieren, z.B. die gewünschte Sauerstoffentwicklung und unerwünschteElektrodenauflösung.

3. Ziel der Arbeiten ist es die mechanistischen Parameter der Aktivität undStabilität von Oxidelektroden zu bestimmen. Das Auswertungsprotokoll wurdekürzlich im Rahmen eines Praktikums in der Gruppe entwickelt. Die Parametersind jedoch noch für viele wichtige Katalysatoren unbekannt. Zur Bestimmungdieser Parameter sollen pH-abhängige Messungen der Sauerstoffentwicklungs-reaktion durchgeführt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Stabilität vonOxiden durch Korrelation der mechanistischen Parameter mit Diffraktogrammen zuuntersuchen.

Scholz et al., JPCC 2016

Vesztergom et al. Electrochim Acta 2013

Köhler et al, ChemSusChem 2017

Wir benutzen hauptsächlich elektrochemische Methoden, um die Aktivität vonKatalysatoren zu untersuchen und zur Materialsynthese. Oft werden die gewünschtenEinsichten in die Energiespeicherung und -wandlung durch Strom-Spannungskennlinien gewonnen, die auch in anderen Bereichen der Physik weitverbreitet sind. Weiterhin vergleichen wir die Informationen aus elektrochemischenMessungen mit Diffraktogrammen, spektroskopischen Messungen (z.B.Röntgenabsorption) und mikroskopischen Messungen, zum einen um katalytischeAktivität mit Materialeigenschaften zu korrelieren und zum anderen, um dieAuswirkungen der Katalyse auf die Materialien zu untersuchen.

Kontakt: Dr. Marcel Risch, mrisch@ump.gwdg.de, D.03.110, 39-5023

• If you are interested in our offered projects or want to know more, please talk to us directly at the poster,or contact the responsible supervisor as listed in the project description.

• This poster is also available for download at our institute website: http://tinyurl.com/impbachelor

Wasserstoff in nanoskaligen Metallen

Wir interessieren uns für die Veränderung von Struktur, Kinetik und Thermodynamik beiReduzierung der Systemgröße, sowie deren Einfluss auf die Energie-Speicherkapazitätvon Materialien. Dazu nutzen wir Metall-Wasserstoffsysteme, in denen Legierungenbereits bei niedrigen Temperaturen (RT) einfach durch Änderung des chemischenPotentials (z.B. H2-Partialdruck) hergestellt werden können. Zur Untersuchung setzen wirdie jeweils relevanten Methoden des Instituts (XRD, REM, HREM, TEM, ETEM, STM,AFM, Gravimetrie, Gasvolumetrie,…) ein und nutzen Großforschungseinrichtungen(DESY, ESRF).

Bachelorarbeitsthema:

In dieser Arbeit soll der Einfluss der Schichtdicke auf die laterale Diffusion vonWasserstoff (H) in dünnen epitaktischen Niobschichten (Nb) ermittelt werden. Dazuwerden Nb-Schichten mittels Kathodenstrahlsputtern in einer UHV-Anlage hergestellt.Durch Aufbringen eines seitlichen Pd-Streifens soll ein Gate für die laterale Eindiffusiondes Wasserstoffes erstellt werden. Die Nb-Schichtdicke und die Schichtgüte soll durchXRR-Messungen ermittelt werden. Anschließend sollen die Proben elektrochemischmit H beladen und die Propagation der Diffusionsfront in-situ im Lichtmikroskop(Hydrogenographie) verfolgt werden. Aus der Propagation soll anschließend dieDiffusionskonstante bestimmt werden. Begleitend können Finite-Elemente Methode(FEM) Computersimulationen zur Diffusion durchgeführt werden. Diese Arbeitenunterstützen ein laufendes DFG-Projekt.

Kontakt: Prof. Astrid Pundt, apundt@ump.gwdg.de, D.03.109, 39-5007

J. Kürschner et al. AP, Journal of Alloys and Compounds 593 (2014) 87–92

Pulsed Laser Deposition

Bachelor Projekte:

1.Ziel dieser Arbeit ist es, ein Multischichtsystem aus röntgen-optisch transparenten und opaken Lagen herzustellen, die fürLaborquellen mit Cu-Ka Strahlung als Wellenleiter fungierenkönnen. Die auszuwählenden Materialien sowie dieDimensionierung ihrer Schichtdicken sollen zunächst mit einerauf Finite Differenzen (FD) basierenden Simulation bestimmtwerden. Die präparierten Multischichten werden mit Hilfe vonRöntgenmessungen charakterisiert. (Start Februar)

2. Ziel dieser Arbeit ist es die LabView basierte Software zurAnsteuerung des Laser LPX 110i (LichtwellenleiterSchnittstelle) auf die Steuerung eines des GerätesCOMPexPro (USB Schnittstelle) zu übertragen undgleichzeitig zu optimieren. (Start ab sofort)

Enno Fischer, Master’s thesis 2015

Mit Hilfe der Pulsed Laser Deposition (PLD) stellen wir dünne Schichten im Bereich wenigerNanometer bis hin zu Mikrometern mit hoher Qualität her. Hierbei können wir durch die Wahl derProzessparameter die Struktur der Schichtsysteme gezielt beeinflussen. Zu unseren wichtigstenAnalyse Methoden gehören unter Anderem REM, XRD, XRR, AFM, TEM und Profilometrie.

Kontakt: Dr. Sarah Hoffmann-Urlaub, shoffmann@ump.gwdg.de, D02.120, 39-9642

Defactants

TEM Bilder: links: Fe-B-Legierung, rechts: Fe-O-Legierung. Jeweils nach 100 h Kugelmahlen & 1 h Wärmebehandlung bei 600 °C.

Im Vordergrund stehen Arbeiten auf folgenden Gebieten:

• Thermodynamik von Legierungen, metastabilen Legierungen, Keimbildung und Wachstum.

• Wasserstoff in Metallen.• Segregation von gelösten Atomen und Diffusion in inneren Grenzflächen.• Segregation von gelösten Atomen an Gitterbaufehlern.• Neue nanostrukturierte Materialien durch Defactants.

Kontakt: Dr. Christine Borchers, chris@ump.gwdg.de, C.03.104, 39-5584

Study of pop-in behavior in a metallic glass

A metallic glass (also known as amorphous metal or glassy metal) is a solid metallic material, usually an alloy, with adisordered atomic-scale structure. Metallic glasses possess very high strength comparing to their crystallinecounterparts but they generally suffer from low ductility at room temperature. In this project spherical nanoindentationwill be carried out to study the on set of plasticity in a Pd-based metallic glass. During nanoindentation, earlyplasticity manifests as an abrupt and discrete strain burst or pop-in.

Project 1. Effect of tip radiusVarying testing volume with differenttip radius 650 nm, 1 mm, 5 mm

Project 2. Effect of thermal historyCooling makes metallic glass ´younger´Heating makes metallic glass ´older´

Kontakt: Dr. Lin Tian, ltian@gwdg.de, D04.109, 39-5037

Bachelorarbeiten am Institut für Materialphysik

Projekte / Themenbereiche 2017 / 2018

• If you are interested in our offered projects or want to know more, please talk to us directly at the poster,or contact the responsible supervisor as listed in the project description.

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Nanomechanics

Simulations of material vibrational properties

Kontakt: Dr. Richard Vink, rvink@ump.gwdg.de, D.03.119, 39-5030

A fundamental understanding of friction isstill lacking. However, the vibrationalproperties of the substrate likely play animportant role.

The aim of this project is to measure thevibrational density of states of severalmaterial structures (xtal, disordered,layered) using computer simulations.

Some of the things you will learn / use:• Molecular Dynamics.• High-performance computer hardware,

numerical software libraries to deal withlarge matrices.

Nanoskalige multifunktionale Oxide

In der Arbeitsgruppe verfolgen wir folgende grundlegende Fragestellungen:• Was bestimmt in komplexen Oxiden bzw. Chalgogeniden die atomare und

elektronische Struktur von Grenzflächen und damit auch die Entstehung neuartiger Eigenschaften?

• Wie können Mechanismen der Energiewandlung in stark korrelierten nano-skaligenOxiden verstanden und nutzbar gemacht werden?

• Welche Verfahren eignen sich zum Design von Grenzflächen und Nanostrukturen in komplexen Oxiden auf atomarer Skala?

• Molybdänsulfid (MoSx) ist aufgrund seiner relativ hohen Aktivität, der guten Stabilität und des geringen Preises ein aussichtreicher Kandidat, um Edelmetalle als Katalysatoren für die Wasserspaltung zu ersetzen. Die Bachelorarbeit ist verknüpft mit einer Doktorarbeit, die mittels in-situ Environmental Transmissions-elektronenmikroskopie (ETEM) aktive Zustände und Degradations-mechanismen bei der Wasserspaltung untersucht. Ziel der Bachelorarbeit ist es mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und der Rietveld-Methode die Struktur von verschiedenen MoSx Pulvern zu bestimmen und mit dem Rasterelektronen-mikroskop (REM) die Morphologie der Pulver zu untersuchen, um so die Grundlage für in-situ Experimente im TEM zu legen.

• Ruddlesden-Popper-Phasen (RP-Phasen) der Zusammensetzung Ca2-xPrxMnO4sind aufgrund ihrer ungewöhnlichen Stabilität interessante Materialien für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der Wasserspaltung. Bei dünnen Filmen hängen die Eigenschaften aber auch immer stark von der Herstellung ab. In dieser Bachelorarbeit soll die RP-Phase durch eine alternierende Deposition sehr dünner Lagen von CaO und PrMnO3 mittels Diodensputtern hergestellt werden und die Phasenbildung in Abhängigkeit von den Depositionsbedingungen und nachträglichen Auslagerungen bestimmt werden. Neben der Herstellung steht die Untersuchung mittels Röntgenbeugung im Vordergrund; REM und EDX-Messungen sollen in Zusammenarbeit mit anderen Gruppenmitgliedern erfolgen.

Kontakt: Dr. Jörg Hoffmann, jhoffmann@ump.gwdg.de, C.03.104, 39-5584

Themen Bachelorarbeit:

1. Characterization of the Battery Electrode Materials

LiFePO4 and LiMn2O4 nanoparticles are successfully used as the active cathode material in many Li ion batteries. However, the practical Li charging capacity ofthese particles is well below the expected theoretical value and decreases or “fades” with use, severely compromising battery performance. The goal of thisBachelor Thesis project will be to characterize the crystal structure and local conductivity of the particles, to better understand their structure and properties.

Work Plan: LiFePO4 and LiMn2O4 nanoparticles will be embedded in conducting polymers and polished to prepare cross-sectional specimens. The specimenswill then be imaged in the scanning electron microscope (SEM) and the local crystal structure and local chemical composition will be investigated with electronbackscatter diffraction (EBSD) and energy dispersive x-ray (EDX) analysis. The same samples will also be studied using Atomic Force Microscopy (AFM), wherethe local conductivity can be measured. The same investigations will be repeated on nanoparticles that have partially electrochemically de-lithiated. This will allowus to determine possible changes in chemistry, crystal structure, and conductivity as a result of battery cycling with sub-micrometer precision.

Experimental Methods: The following methods will be learned and used independently by the student: Scanning Electron Microscope (SEM), including EBSDand EDX and Atomic Force Microscope (AFM), including methods to study local topography and electrical conductivity.

2. Deformation of Gold Nanowires

The deformation of metal is strongly influenced by ambient gases. This leads to well-known reliability issues such as hydrogen embrittlement and corrosioninduced cracking. Here, we will use a model system consisting of single crystal Au nanowires to systematically investigate the effect of various gases ondeformation. During deformation of the nanowires, dislocations are nucleated, then glide through the wire and exit through the opposite side, resulting indeformation. The goal of this project is to investigate how different gas environments affect the deformation of Au nanowires as observed in-situ in the SEM.

Work Plan: The Au nanowires are first transferred from the growth substrate to a tensile stage using a micromanipulator inside the SEM (see Figure). Thenanowire is glued in place using electron beam enhanced deposition. Piezo electric actuators are used to strain the nanowire under tension while a sensor isused to measure the force. The actual strain along the nanowire is determined using image analysis in the SEM to obtain stress-strain curves. The stress-straincurves for nanowires tested under different gas environments will be compared.

Experimental Methods: The following methods will be learned and used independently by the student: Scanning Electron Microscope (SEM) imaging, in-situmicromanipulation, in-situ micro-scale tensile testing, and image analysis.

The Bachelor Thesis may be written in either English or German.

For more information about these projects, please contact: Prof. Cynthia Volkert (volkert@ump.gwdg.de), room D04.121, 39-5011, at the Institute of Materials Physics.

SEM image of LiMn2O4 nanoparticles.

100 nm diameter Au nanowire (indicated witharrow) during mounting on a straining stageinside a Scanning Electron Microscope (SEM).