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Zwischen den Welten : der Astrophysiker Alejandro Cruz Osorio hat es aus bescheidenen Verhältnissen in die Astrophysik geschafft. Seine Forschungstätigkeit im Rahmen des EU-Projekts ExaHyPE ist der Anfang seiner Karriere
(2017)
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Linus Freymark
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Roger Erb, Physikdidaktiker : Goethe, Deine Forscher
(2017)
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Stefanie Hense
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Studentisches Experiment fliegt zur : Raumstation ISS Physiker und Geowissenschaftler der EXCISS-Projektgruppe konnten sich im DLR-Wettbewerb durchsetzen
(2017)
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Stefanie Hense
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Anknüpfungspunkte für eine gute Zusammenarbeit : Goethe-Universität unterzeichnet Kooperationsabkommen mit der Universität Tuzla
(2018)
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Marcus Bleicher
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[Nachruf] Peter Grünberg
(2018)
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Nanocermets und antiferromagnetisches Chrom als piezoresistive und temperaturbeständige Dünnschichten für Drucksensoren
(2020)
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Silvan Schwebke
- Die vorliegende Arbeit beschreibt die Erzeugung und Charakterisierung verschiedenartiger piezoresistiver Dünnschichten für die Druck- und Dehnungssensorik bei hohen Temperaturen, die mittels Sputterdeposition abgeschieden werden:
- metallische Schichten aus Chrom mit Verunreinigungen aus Sauerstoff, Stickstoff oder Platin,
- granulare Keramik-Metall-Schichten (Cermets), mit Platin oder Nickel als Metallkomponente und Aluminiumoxid (Al2O3) oder Bornitrid (BN) als Keramikkomponente.
Beide Schichttypen können mit geeigneten Beschichtungsparametern erhebliche piezoresistive Effekte aufweisen, also einen Widerstands-Dehnungs-Effekt, der den von typischen Metallschichten um ein Mehrfaches übersteigt. Der Effekt wird quantifiziert durch den k-Faktor, der die relative Änderung des Widerstands R auf die relative Änderung der Länge l, d.h. die Dehnung ε=Δl/l, bezieht: k=ΔR/(R ε).
In Beschichtungsreihen werden die Schichtzusammensetzung und die Depositionsbedingungen variiert und die Auswirkungen auf den elektrischen Widerstand, dessen Temperaturkoeffizienten (TKR), sowie den k-Faktor untersucht. Die k-Faktoren der chrombasierten Schichten liegen bei 10 bis 20 mit um null einstellbarem TKR. Die Cermet-Schichten erreichen je nach Material k-Faktoren von 7 bis über 70 mit meist stark negativen TKR von mehreren -0,1 %/K.
Die Chrom- und Chrom-Stickstoff-Schichten erweisen sich als geeignete Sensorschichten für Membran-Drucksensoren. Daher wird eine Reihe von Sensoren mit Wheatstone-Messbrücken erzeugt und charakterisiert. Sie zeigen den hohen k-Faktoren entsprechende hohe Signalspannen. Die guten Sensoreigenschaften bleiben auch bei hohen Temperaturen bis 230 °C erhalten.
Nach den ersten Untersuchungen bei Dehnungen bis maximal 0,1 % wird zusätzlich das Verhalten der Schichten bei höheren Dehnungen bis 1,4 % untersucht. Es zeigt sich vorwiegend ein lineares Widerstands-Dehnungs-Verhalten. Die Leiterbahnen der spröden chrombasierten Schichten werden bei Dehnungen um 0,7 % jedoch durch Risse zerstört, die sich von den Rändern der Schicht her ausbreiten.
Die Platin-Aluminiumoxid-Schicht zeigt einen enorm großen, nichtlinearen Widerstands-Dehnungs-Effekt, der auf Risse zurückgeführt werden kann, die sich nach einigen Belastungszyklen reproduzierbar öffnen und schließen.
Tieftemperaturmessungen von 2 bis 300 K zeigen Widerstandsminima der Chrom-Stickstoff-Schichten; Magnetwiderstandsmessungen deuten jedoch nicht auf den Kondo-Effekt hin.
Die Cermet-Schichten zeigen thermisch aktivierte Leitfähigkeit.
Ausgewählte Schichten werden bei Temperaturen bis 420 °C (693 K) charakterisiert. Die chrombasierten Schichten haben bei hohen Temperaturen stabile Widerstände, zeigen jedoch stark nichtlineare Temperaturverläufe von Widerstand und k-Faktor. Oberhalb einer gewissen Temperatur verschwindet der piezoresistive Effekt, kehrt jedoch beim Abkühlen zurück. Die Verläufe lassen sich durch die Schichtzusammensetzung und auch durch Temperaturbehandlungen modifizieren.
Die Platin-Aluminiumoxid-Schicht ist ebenfalls temperaturstabil und zeigt geringe Änderungen des k-Faktors im Temperaturverlauf. Platin-Bornitrid zeigt große, reversible Widerstandsänderungen bei höheren Temperaturen, die auf mögliche Gaseinlagerungen hindeuten.
Aus den experimentellen Ergebnissen lassen sich die Ursachen der Piezoresistivität ableiten: Die chrombasierten Schichten bilden, wie in der Literatur vielfach beschrieben, unterhalb einer Ordnungstemperatur einen Spindichtewellen-Antiferromagnetismus aus. Dieser Zustand führt zu einem zusätzlichen Widerstandsbeitrag, der die beschriebenen Nichtlinearitäten der Widerstands-Temperatur-Verläufe verursacht und zudem empfindlich auf mechanische Dehnung reagiert und so zu erhöhten k-Faktoren führt.
Die Piezoresistivität der Cermet-Schichten resultiert aus der granularen Struktur, in der Ladungsträger zwischen Metallpartikeln tunneln. Mit exponentiell vom Partikelabstand abhängigen Widerständen der Tunnelübergänge resultieren hohe k-Faktoren. Mithilfe von Modellbetrachtungen, in denen Gleichungen für Tunnelwiderstände auf granulare Systeme angewendet werden, werden die experimentellen Ergebnisse diskutiert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Eigenschaften der Keramik vorrangig auf den Betrag der k-Faktoren auswirken und die Eigenschaften des Metalls vor allem den TKR beeinflussen.
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Ageing tests with Gas Electron Multipliers for the ALICE TPC Upgrade
(2021)
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Michael Jung
- During RUN3 (2021-2023) of the Large Hadron Collider, the Time Projection Chamber (TPC) of ALICE will be operated with quadruple stacks of Gas Electron Multipliers (GEMs). This technology will allow to overcome the rate limitation due to the gated operation of the Multi-Wire Proportional Chambers (MWPCs) used in RUN1 (2009-2013) and RUN2 (2015-2018).
As part of the Upgrade project, long-term irradiation tests, so called "ageing tests", have been carried out. A test setup with a detector using a quadruple stack of 10x10cm2 GEMs was built and operated in Ar-CO2 and Ne-CO2-N2 gas mixtures. The detector performance such as gas gain and energy resolution were monitored continuously. In addition, outgassing tests of materials used for the assembly process of the upgraded TPC were performed. To reach the expected dose of the GEM-based TPC, the detector was operated at much higher gains than the TPC. It was found, that the GEMs could keep their performance within the projected lifetime of the TPC. Most of the tested materials showed no negative impact on the detector. For the tested epoxy adhesive no certain conclusion could be drawn.
At much higher doses than expected for the upgraded TPC, a new phenomenon was observed, which changed the hole geometry of the GEMs and led to a degradation of the energy resolution. Even though its occurrence is not expected during the lifetime of the GEM-based TPC, simulations were carried out to study this effect more systematically. The simulations confirmed, that a change of the hole geometries of the GEMs, lead to an increase of the local gain variation, which results in a decrease of the energy resolution.
Furthermore the effect of methane as quench gas on GEMs was studied, even though this gas is not foreseen to be used in the TPC. From ageing tests with single-wire proportional counters it is well known that hydrocarbons are produced in the plasma of the avalanches, which cover the electrodes and lead to a degradation of the detector performance. Even though GEMs have a quite different geometry, the ageing tests showed, that also this technology tends to methane-induced ageing. A loss of gas gain as well as a degradation of the energy resolution due to deposits on the electrodes was monitored. A qualitative and quantitative comparison between ageing in GEMs and proportional counters was performed.
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Ulrich Gerhardt : Nachruf
(2018)
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Wolf Aßmus
Eberhard Dietz
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Die Mission »Schwarzes Loch« : das Team um Astrophysiker Luciano Rezzolla schuf die Simulationen in einem globalen Forschungsprojekt
(2019)
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Anne Hardy
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Als das Universum die Größe einer Melone hatte : Humboldt-Forschungspreis bringt Theoretiker Ulrich Heinz nach Frankfurt zurück
(2019)
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Anne Hardy
