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B.Sc./M.Sc./FP Arbeiten

B.Sc./M.Sc.-Arbeiten und Forschungspraktika:

Während einem Forschungspraktikum besteht die Möglichkeit zu einem Einblick in eine Vielzahl an spektroskopischen Methoden zur Untersuchung von paramagnetischen Verbindungen. Die erhaltenen Daten müssen dann analysiert werden. Forschungspraktika erlauben auch das Modellieren und Simulieren von zuvor gewonnenen Daten.

Die Arbeitsgruppe van Slageren bietet die folgenden Themen für Bachelor- und Masterarbeiten an:

B.Sc./FP-Project
Betreuer: Jonathan Wischnat

Ziel: Design und Synthese von organischen Radikalen mit photoaktiven Funktionalitäten als potenziell schaltbare Quantenbitsysteme. Untersuchung der magnetischen und optischen Eigenschaften und gegebenenfalls geeignete strukturelle Variation zum Feintuning der Eigenschaften.

Methoden:

  • Retrosynthese/Syntheseplanung von Zielradikalen
  • Synthese organischer, photoaktiver Radikale
  • Charakterisierung der synthetisierten End- und Zwischenstufen mit konventionellen Methoden wie 1H/13C-NMR, MS, IR, EA
  • Untersuchung der magnetischen und optischen Eigenschaften der synthetisierten Radikale via continuous wave EPR, pulsed EPR, SQUID, UV/Vis, Luminescence
  • Auswertung und Interpretation der erhaltenen Messdaten

Hintergrund:

Seit der Entwicklung der Quantentheorie Anfang der 1920er Jahre kam die Frage nach anschaulichen makroskopischen Anwendungen außerhalb der „Quantenwelt“ auf. Besonders prominent sind die Anwendungen in Quantencomputern oder für die Informations­verarbeitung (z. B. Quantenverschlüsselung, Suche in umfangreichen, unsortierten Datenbanken). Eine weitere, bisher weniger erforschte Anwendung ist die der Quantensensorik von verschiedenen physikalischen Größen wie Licht, magnetischer oder elektrischer Felder, Temperatur oder sogar chemischer Verbindungen. Dabei wird die Veränderung von charakteristischen Eigenschaften des Quantensystems unter Einfluss der zu messenden Größe ausgenutzt.

Während dieser Bachelorarbeit bzw. dieses Forschungspraktikums kann die organische Synthese mit Charakterisierung mittels physikalischer Messmethoden kombiniert werden. Es gilt die Synthese neuer Verbindungen zu planen, durchzuführen und die Eigenschaften der erhaltenen Verbindungen zu untersuchen. Außerdem kann der Einfluss der chemischen Struktur auf die optischen und magnetischen Eigenschaften der jeweiligen Verbindung verstanden und Rückschlüsse auf mögliche Variationen der chemischen Struktur gewonnen werden. Studenten sollten für dieses Projekt Interesse für organische Synthese und die Motivation zum näheren Verständnis der Eigenschaften von Verbindungen mitbringen.

B.Sc./FP-Project
Betreuer: Mario Winkler

Ziel: Immobilisierung und Untersuchung von Katalysatoren in porösen Strukturen. Untersuchung der Veränderung der elektronischen Struktur und gegebenenfalls geeignete strukturelle Variation zum Feintuning der Eigenschaften, wie der Wechselwirkung des Katalysators mit der Porenwand.

Methoden:

  • Einfache Synthese
  • Untersuchung der elektronischen Struktur der synthetisierten Verbindung mittels verschiedener ESR-Methoden und SQUID Magnetometrie.
  • Auswertung und Interpretation der erhaltenen Messdaten mittels MatLab und Python.

Hintergrund:

Um die Vorteile der herterogenen Katalyse mit denen der homogenen Katalyse zu verbinden werden Katalysatoren in Poren immobilisiert. Dabei muss verstanden werden, inwiefern und warum sich die katalytischen Fähigkeiten des Systems verändern. Für die Frage nach dem "warum" kann die Veränderung der elektronischen Struktur als Folge der Immobilisierung herangezogen werden. Dazu dient z. B. die Untersuchung paramagnetischer Verbindungen mittels ESR-Spektroskopie und Magnetometrie.

Während dieser Bachelorarbeit bzw. dieses Forschungspraktikums kann die Synthese mit Charakterisierung mittels physikalischer Messmethoden kombiniert werden. Es gilt die Synthese neuer Verbindungen zu planen, durchzuführen und die Eigenschaften der erhaltenen Verbindungen zu untersuchen. Außerdem kann der Einfluss der chemischen Struktur auf die elektronische Struktur der jeweiligen Verbindung verstanden und Rückschlüsse auf mögliche Variationen der chemischen Struktur gewonnen werden. Studenten sollten für dieses Projekt das Interesse und die Motivation zum näheren Verständnis der Eigenschaften von Verbindungen mitbringen.

B.Sc./M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Dominik Bloos

Ziel: Synthese und Funktionalisierung des neuartigen 2D-Materials Graphdiin

Methoden:

  • Synthese von Graphdiin mittels chemischer Gasphasenabscheidung.
  • Funktionalisierung von Graphdiin mit interessanten funktionellen Zentren (beispielsweise Einzelmolekülmagnete).
  • Spektroskopische Charakterisierung von Graphdiin und Bestimmung seiner physikalische Eigenschaften, beispielweise durch sub-THz-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie & -mikroskopie, elektrischer Kontaktmessungen, …
  • Softwaregestützte Auswertung und Aufnahme von Messdaten und Interpretation derselben (Python, Matlab, …).

Hintergrund: Niedrigdimensionale, kohlenstoffbasierte Materie vermag aufgrund der besonderen Hybridisierungszustände des Kohlenstoffs in vielen verschiedenen Modifikationen mit interessanten Eigenschaften vorzuliegen. Interessante Beispiele sind z. B. die Fullerene, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen und Graphdiin. Gegenüber dem Prototyp der 2D-Materialien, dem Semi-Metall Graphen, wurde für Graphdiin eine Bandlücke vorhergesagt, bei ähnlich überragenden Ladungsträgermobilitäten. Damit ist es für schnelle Transistoren und schnelle Halbleiter der Zukunft ein sehr vielversprechender Kandidat. Darüber hinaus eröffnet sich im Gegensatz zum weitgehend inerten Graphen eine große Bandbreite an Modifizierungsmöglichkeiten, um für Applikationen wichtige Eigenschaften maßzuschneidern. So lassen sich beispielweise funktionelle Zentren in das Gerüst des Graphdiin einführen und elektronische und spintronische Bauelemente auf molekularer Ebene verwirklichen.

Diese Bachelor-/Masterarbeit bzw. dieses Forschungspraktikum verortet sich an der Schnittstelle von organischer Chemie, physikalischer Chemie, sowie der Festkörperphysik. Die Arbeit beinhaltet die Synthese des neuartigen Materials Graphdiin durch chemische Gasphasenabscheidung und die Charakterisierung vornehmlich durch Raman-Spektroskopie. Darüber hinaus werden die elektrischen Transporteigenschaften vermessen und magneto-optische Messungen an Graphdiin durchgeführt. Ziel ist die Herstellung von Monolagen Graphdiin und die Bestimmung seiner physikalische Eigenschaften. Durch Funktionalisierung des erhaltenen Graphdiins lassen sich die für Anwendungen wichtigen Eigenschaften wie beispielsweise die Bandlücke maßschneidern. Motivation ist die Herstellung von schnellen elektronischen und spintronischen Transistoren für eine Elektronik/Sprintonik der Zukunft die sich über die Limitierungen des Mooreschen Gesetzes erhebt.

B.Sc./M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Dominik Bloos

Ziel: Charakterisierung und Design von Graphen-Nanoantennen

Methoden:

  • Herstellung von Graphen durch Epitaxie von Siliciumcarbid.
  • Herstellung von Nanostrukturen durch Elektronenstrahllitographie.
  • Spektroskopische Charakterisierung der Antennen durch magneto-optische sub-THz-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie & -mikroskopie, AFM, …
  • Softwaregestützte Auswertung und Aufnahme von Messdaten und Interpretation derselben (Python, Matlab, …).

Hintergrund: Niedrigdimensionale, kohlenstoffbasierte Materie vermag aufgrund der besonderen Hybridisierungszustände des Kohlenstoffs in vielen verschiedenen Modifikationen mit interessanten Eigenschaften vorzuliegen. Interessante Beispiele sind z. B. die Fullerene, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen und Graphdiin. Der Prototyp der 2D-Materialien, das Semi-Metall Graphen ist aufgrund seiner überragenden Ladungsträgermobilitäten und seiner erstaunlich hohen Absorptionskonstante ein sehr interessanter Kandidat für Detektoren im THz-Bereich. Diese sind ein wichtige Vorausetzung für etwaige Hochleistungs-Kommunikationstechnologien der Zukunft.

Diese Bachelor-/Masterarbeit bzw. dieses Forschungspraktikum verortet sich an der Schnittstelle von physikalischer Chemie und Festkörperphysik. Die Arbeit beinhaltet in erster Linie die Charakterisierung und das Design von graphenbasierten Nanoantennen. Dafür werden magneto-optische sub-THz-Spektroskopie zur Charakterisierung und CST-Studio zur Simulation der Ergebnisse und dem Design neuer Antennen verwendet. Es wird der Umgang mit empfindlichen Proben, mit kryogenen Temperaturen und hohen Magnetfeldern erlernt, sowie Erfahrung im Bereich der sub-THz-Spektroskopie gesammelt. Bei Interesse ist auch ein Auslandsaufenhalt in Prag und Brünn zur Produktion des Graphens und der Herstellung der Nanoantennen durch Nanostrukturierung möglich.

B.Sc./FP-Projekt
Betreuer: David Hunger

Ziel: Bestimmung der elektronischen und magnetischen Struktur verschieden Übergangsmetallverbindungen

Methoden:

  • HFEPR (Hochfeld Elektronenspinresonanzspektroskopie) bei verschiedenen Ferquenzen im Bereich von 80 - 1000 GHz
  • SQUID Magnetometrie
  • MCD Spektroskopie
  • Ab Initio Rechnungen
  • Auswertung und Simulation der Daten mit Matlab

Hintergrund: Um den immer weiter wachsenden Anforderungen der modernen Informationstechnologie zu begenen, sind neuartige Materialien für die Datenspeicherung und Verarbeitung undabdinglich. Eine wichtige Rolle spielt hierbei die magnetische Datenspeicherung wie sie derzeit in konventionellen HDDs an ihre Grenzen stößt. Eine moderne Alternative zu bisherigen Technologien bieten in diesem Fall Einzelmolekülmagnete. Hierbei handelt es sich um molekulare Verbindungen, welche magnetische Eigenschaften besitzen. Für ein tiefergehendes Verständnis solcher Verbindungen und deren Eigenschaften ist eine genaue Charakterisierung mittels Spektroskopie und Magnetometrie nötig.

Diese Bachelorarbeit/dieses Forschungspraktikum behandelt die Charakterisierung verschiedener Übergangsmetallkomplexe mittels moderner spektroskopischer Methoden wie der Hochfeld ESR oder der MCD Spektroskopie. Zusätzlich können die magnetischen Eigenschaften solcher Verbindungen mit Hilfe eines SQUID Magnetometers untersucht werden. Hier kann neben den statischen Eigenschaften auch das dynamische Verhalten untersucht werden. Ziel ist es, Stellschrauben für das Design zukünftiger Einzelmolekülmagnete zu ermitteln und verschiedenste Eigenschaften, wie die Relaxation des magnetischen Moments, genauer zu verstehen. Für interessierte Studenten bietet sich hier die Möglichkeit moderne spektroskopische Methoden kennen zu lernen und
auch über die im bisherigen Studium besprochenen Analysemethoden hinauszugehen.

B.Sc./M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Dennis Schäfter

Ziel: Entwicklung neuer Komplexsysteme mit hohen Kohärenzzeiten die eine weitergehende Funktionalisierung zur Darstellung von Quantengattern möglich machen.

Methoden:

  • Retrosynthetische Syntheseplanung von Zielliganden.
  • Organische Ligandensynthese sowie anorganische Synthese von paramagnetischen Komplexverbindungen.
  • Spektroskopische Charakterisierung der Verbindungen mittels Standardanalysemethoden (NMR, MS, IR, EA).
  • Magnetische Charakterisierung der Komplexe mittels cw-ESR, gepulstem ESR, XRD und u. U. weitere.
  • Softwaregestützte Auswertung von Messdaten und Interpretation dieser (Origin, EasySpin-Toolbox für Matlab).

Hintergrund: Theoretisch etabliert, jedoch praktisch bis dato nicht erreicht, können Quantencomputer bestimmte Arten von Informationsverarbeitung (Verschlüsselung: Primfaktorzerlegung, Big Data: Suche in unsortierten Datenbanken, Künstliche Intelligenz) enorm beschleunigen. Die Entwicklung von Quantencomputern hätte so gesehen sehr große Folgen für die Gesellschaft von morgen. Quantenbits sind dabei quantenchemischen Analoga zu traditionellen Bits. Sie können mithilfe von Mikrowellenstrahlung in einen Superpositionszustand gebracht werden. Dabei stellt die Lebensdauer dieses Zustands die zeitbegrenzende Konstante für Rechnungen dar.

Diese Bachelor-/Masterarbeit bzw. dieses Forschungspraktikum zeigt große Schnittstellen zwischen metallorganischer sowie physikalischer Chemie auf. Sie beinhaltet die Synthese neuer Koordinationsumgebungen mit neuartigen Liganden und deren ausführliche Charakterisierung. Dabei sollen neben dem synthetischen Aspekt die Einflüsse der neuen Umgebungen auf die Dekohärenz des gegebenen paramagnetischen Zentrums untersucht werden. Motivation hierbei ist, Ligandenfamilien in den molekularen Baukasten für Qubits aufnehmen zu können, welche im Folgenden auch weiter funktionalisiert werden können und so zu Mehrquantenbitsystemen geschaltet werden können. Interessierte Studenten können hier anspruchsvolle Synthese(-planung) mit dem Kennenlernen moderner spektroskopischer Methoden verknüpfen.

B.Sc./M.Sc./FP-Projekt
Supervisor: Lorenzo Tesi

Goal: Determine the influence of plasmonic structures on the resulting HF-EPR spectra for different magnetic samples.

Methods:

  • Sample preparation includes spin-coating or dropcast approaches;
  • Magnetic characterization of several different molecular systems by cw-EPR, HF-EPR and THz transmission measurements;
  • Data analysis with Python, Origin or Matlab;
  • Electromagnetic fields modelling with CST Studio software.

Background: 

The development of resonators for HF-EPR is limited by the EPR extreme frequency range used (sub-THz up to 1 THz). The structures we are designing increase the sensitivity of HFEPR technique, thus facilitating a wide range of applications. This is an innovative project that merges the research areas of plasmonics, metamaterials, THz frequencies and EPR. First results have confirmed what modelled by numerical simulations and now a broader investigation must be carried out on several new designed micro-antennas. It is a very interdisciplinary topic, for which chemists, physicist, engineers, and material sciences students are welcome.

Tasks:

Several types of studies can be performed depending on the interest of the student. The project can be more focused on the design and simulation or vice versa on the experimental side. A 50/50 mix of calculations and experiments can be carried out only within master thesis. A research line of this project also involves graphene-based structures and can be chosen for the thesis work.

B.Sc./FP-Projekt
Supervisor: Lorenzo Tesi

Goal: Determine the best parameters and procedures to obtain a homogenous thin layer of magnetic molecules diluted in a polymeric matrix.

Methods:

  • Sample preparation by spin-coating with different conditions;
  • Characterization by Optical Microscope, Atomic Force Microscopy, Profilometry;
  • Data analysis with Python, Origin or Matlab;
  • Applications with further techniques can occur depending on the specific project.

Background: Spin-coating is one of the best techniques existing for the fabrication of thin layers of polymeric species and is widely applied in academic as well as industry. Several parameters can be changed providing very different results (static or dynamic method, speed rate, acceleration, drop volume, concentration of the solution, etc.). Serious difficulties can occur when the substrate is small or has not-squared shapes, limiting spin-coating applications in many research areas.   

Tasks: A systematic study must be carried out in order to define the influence of the various parameters on the thin layer fabrication. All the possibilities should be investigated to identify the best protocol. Several magnetic molecules, as well as polymers and substrates will be used. Depending on the specific project further applications can represent an additional minor part of the work. 

B.Sc./M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Mario Winkler

Ziel: Bestimmung der Eigenschaften verschiedener Eisenverbindungen mittels Mößbauer-Spektroskopie.

Methoden:

  • Temperaturabhängige Mößbauer-Spektroskopie
  • Softwaregestützte Auswertung von Messdaten und Interpretation dieser (MossWinn, Python, MatLab, Origin)

Hintergrund: Eine der mächtigsten Methoden zur Charakterisierung von eisenhaltigen Verbindungen ist die Mößbauer-Spektroskopie. Damit lassen sich sowohl elektronische wie auch magnetische Eigenschaften der Probe untersuchen. Erstgenannte beziehen sich in erster Linie auf die Verteilung der Elektronendichte um die Eisenkerne, letztgenannte werden durch Ferromagnetismus oder langsam relaxierende magnetische Momente in der Probe als Folge von Paramagnetismus hervorgerufen. Dies spielt besonders bei tiefen Temperaturen T < 20 K eine Rolle.

Diese Bachelor-/Masterarbeit bzw. dieses Forschungspraktikum beinhaltet die Charakterisierung eisenhaltiger Verbindungen mit den in der Gruppe zur Verfügung stehenden Methoden, wobei in erster Linie Mößbauer-Spektroskopie verwendet werden soll. Zur weiteren Analyse paramagnetischer Verbindungen dienen zudem z. B. ESR-Spektroskopie und SQUID-Magnetometrie. Eine ganzheitliche Betrachtung und Interpratation aller gesammelten Daten ermöglicht das tiefere Verständnis des untersuchten Systems. Studenten sollten Interesse und Spaß am Erlernen neuer Mess- und Auswertemethoden mitbringen.

B.Sc./M.Sc./FP-Projekt
Betreuer: Mario Winkler

Ziel: Bestimmung der magnetischen Struktur einer Eisenverbindung in ihrer oxidierten, paramagnteischen Form als exemplarischen Katalysator.

Methoden:

  • Magnetische Charakterisierung der Komplexe mittels cw-ESR, gepulstem ESR, HF-EPR, SQUID und u. U. weitere.
  • Softwaregestützte Auswertung von Messdaten und Interpretation dieser (Origin, EasySpin-Toolbox für Matlab).

Hintergrund: Im Gegensatz zu Enzymen zeigen organometallische Katalysatoren schlechtere Selektivitäten und Produktivitäten. Sie werden jedoch im Kontext von schwindenden Ressourcen und immer größer werdenden Nachfragen nach Industrieprodukten immer wichtiger. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1333 an der Universität Stuttgart sollen literaturbekannte Katalysatoren in Mesoporen heterogenisiert werden um so die genannten Herausforderungen zu bewältigen. Dazu muss zunächst die elektronische, magnetische und geometrische Struktur des Ausgangsverbindungen verstanden werden.

Diese Bachelor-/Masterarbeit bzw. dieses Forschungspraktikum beinhaltet die Charakterisierung eines paramagnetischen Systems mit den in der Gruppe zur Verfügung stehenden Methoden, wie z. B. ESR Spektroskopie und SQUID Magnetometrie. Eine ganzheitliche Betrachtung und Interpratation aller gesammelten Daten ermöglicht das tiefere Verständnis des untersuchten Systems. Studenten sollten Interesse und Spaß am Erlernen neuer Mess- und Auswertemethoden mitbringen.

Bei Interesse an einer Abschlussarbeit in der Arbeitsgruppe van Slageren bitte Kontakt mit Prof. Joris van Slageren aufnehmen.

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