Abschlussarbeit im Bachelorstudiengang Physik

Accretion disks are a ubiquitous phenomenon in astrophysics. One of the basic questions is how angular momentum is transported radially outward. One possible mechanism for angular momentum redistribution is the magneto-rotational instability. During this Master thesis an experiment will be designed and constructed making use of the analogy of shallow water equations and accretion of gas. By using a gravitational funnel as a boundary the gravitational force can be mimicked. Viscoelastic fluids can be considered as an analog to an electrically conducting fluid and the viscoelastic instability to an analogy to the magneto-rotational instability. Therefore experiments will be performed with water, but also with elastic polymer solutions, and angular momentum transport will be measured by velocimetry techniques. The experiments are also meant as a prototype for the design of a future liquid metal experiment.

Contact: Dr. Peter Manz

Rechargeable lithium-ion batteries (LIBs) are key components of today's technology that power a range of devices from mobile phones to electric vehicles. During the discharge/charge cycles the electrode materials of a LIB take up or release Li ions and electrons, thereby undergoing changes in chemical composition, structure and electronic structure. In case of lithium-transition metal-oxides, which represent an important class of LIB electrode materials, reversible (de)intercalation of lithium ions in their structures can take place, and the redox-reaction involves a change in the oxidation state of the transition metal atoms. The focus of our project is on lithium-titanium-oxide materials, especially on Li4Ti5O12 (LTO), which can be used as an anode material for LIBs. The computational studies aim to contribute to a better atomic scale understanding of materials properties, such as Li ion mobility and electronic conductivity. Key issues to be dealt with include structural disorder and the occurrence of different oxidation states of the titanium atoms as the Li content is varied. In the BSc project you will use density functional theory techniques to study relations between the chemical composition, structural features and the electronic structure of Li-Ti-O materials. Prior experience with Linux and a scripting language is advantageous but not a prerequisite.

Niobium (Nb) belongs to the group of refractory metals, and shows advanced properties such as high melting point and good hardness, due to the strong interatomic bonds^1,2. Furthermore, niobium exhibits excellent chemical and corrosion resistance³. This makes Nb coatings very attractive for a broad spectrum of applications, like high temperature applications and corrosion resistant industrial equipment⁴.

Due to the low standard potential, it is not possible to electrodeposit niobium from aqueous solutions. Ionic liquids (ILs) are a good alternative, and first studies have demonstrated the general feasibility of Nb metal deposition from NbF₅ containing ILs⁵. In this thesis, the electrochemical behavior of different Nb salts in several ionic liquids shall be studied in detail with the electrochemical quartz crystal microbalance technique (EQCM) and in-situ scanning tunneling microscopy. A network analyzer will be used to measure the admittance between the two Au electrodes (one serving as working electrode) of 10 MHz quartz resonators in parallel to the electrochemical measurements. The admittance curve can be fitted with a Lorentz function. In simple terms, from the change of the center frequency (resonance frequency of the quartz ) and the full width at half maximum (damping of the quartz), one can determine mass changes on the electrode, i.e. how much Nb has been deposited, if pure metallic Nb has been deposited, etc. However, also other effect like changes in the viscosity of the electrolyte at the interface may be detected. It is known from literature^5,6 that the IL/solid interface shows a very complex multilayer structure that can hinder metal cations from approaching the electrode surface, and that additives can disturb these layers. In preliminary experiments, addition of Li salts led to much larger current densities and mass changes from NbF₅. The use of NbCl₅ as precursor led to very interesting results. Five distinct peaks were observed in the ionic liquids that were correlated with changes in the EQCM. The origin of this behavior shall be investigated in detail.

Contact: Dr. Oliver Schneider oliver_m.schneider@tum.de

References:

1. S. Zein El Abedin, H.K. Farag, E.M. Moustafa, U. Welz-Biermann, F. Endres. Phys.Chem.Chem.Phys. 7 (2005) 2333

2. N. Borisenko, A. Ispas, E. Zschippang, Q. Liu, S. Zein El Abedin, A. Bund, F. Endres, Electrochim. Acta, 54 (2009) 1519

3. V. Phama et al., Thin Solid Films, 536(2013) 269

4. F. Cardarelli, Int. J. of Refractory Metals & Hard Materials, 14(1996) 3655.

5 T. Carstens, A. Ispas, N. Borisenko, R. Atkin, A. Bund, F. Endres, Electrochim. Acta 197 (2016) 374

6. A. Elbourne, S. McDonald, K. Voïchovsky, F. Endres, G. G. Warr, R. Atkin, ACS Nano 9 (2015) 7608

Mikrofluidik spielt eine immer größere Rolle in einer Reihe von biologisch Anwendungen sowie Tests für die medizinische Diagnostik. Eine Große Herausforderung ist hierbei das kontrollierte Verteilen und Mischen von Flüssigkeiten, sowie das Messen von kleinsten Volumenströmen. Im Rahmen einer Bachelor/Masterarbeit soll eine neue Methode der Steuerung von kleinsten Flüssigkeitsmengen entwickelt werden, welche mittels hochauflösenden Mikroskopiemethoden getestet und für automatisiertes Flüssigkeitshandling eingesetzt werden kann. Die gezielte Dosierung von Flüssigkeiten soll dann verwendet werden, um die Funktion von Zellen in biologischen Experimenten zu modulieren und zu analysieren.

Lichtmikroskopie ist durch Beugungseffekte auf ca. 200nm Auflösung beschränkt. Durch eine Reihe von ganz neuen Entwicklungen kann diese Beugungslimitierung jedoch effektiv umgangen werden: durch geschickte Ausnützung von Fluoreszenzeigenschaften kann nun Lichtmikroskopie mit einer Auflösung von 50nm durchgeführt werden, eine Neuentwicklung, die in  2015 mit dem Chemie Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Im Rahmen der Bachelorarbeit soll so ein STED Mikrokskopaufbau modifziert und weiterengwickelt werden. Erste Charakterisierungen an biologischen Systemen sollen durchgeführt werden.

Turbulence plays a key role in magnetically confined fusion plasmas where it is responsible for the major part of particle and energy transport perpendicular to the magnetic field. Zonal flows are turbulence generated large scale plasma flows and play a major role in regulating the turbulent transport in a tokamak fusion device. The bachelor thesis will be to investigate the presence and dynamics of these low frequency oscillating flows in the ASDEX Upgrade tokamak plasma edge. The study will cover a range of plasma confinement conditions using microwave radar based diagnostics (called Doppler reflectometers) and signal analysis techniques.

Contact: Dr. Garrard Conway

Electron temperature and density fluctuations play a critical role in determining the energy transport perpendicular to the confining magnetic field in a tokamak fusion device and their relative phases help determine the balance of particle and energy transport. This bachelor thesis will investigate the phase relationship of temperature and density fluctuations close to the plasma edge in a range of plasma confinement regimes using a combination of cutting edge diagnostics and advanced signal processing techniques.

Contact: Dr. Simon Freethy

Ein wichtiges Untersuchungsgebiet bei Fusionsexperimenten ist die Wechselwirkung von Plasmateilchen mit der umgebenden Wand. Beim Beschuss von Oberflächen mit energiereichen Wasserstoffatomen kommt es zum Abtrag der Oberfläche (Zerstäubung). Diese Zerstäubung bestimmt u.a. die Lebensdauer der Wand. Die Zerstäubung ist ein massenabhängiger Effekt der bei Mischmaterialien (z.B. Stählen) zur Selbstpassivierung von Oberflächen führen kann. Er ist aber je nach Energie der Wasserstoffatome auf nur wenige Atomlagen beschränkt, was eine genaue experimentelle Untersuchung dieses Effektes erschwert und auch das zugrundeliegende Physikmodell von paarstoß-basierten Monte-Carlo-Codes an seine Grenzen bringt. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es daher mittels molekulardynamischer Simulationen (MD (LAMMPS-Code)) die Wechselwirkung von Wasserstoffatomen mit Eisen-Wolfram-Modellsystemen zu untersuchen. Hierfür bieten sich u.a. die Korrelation von Zerstäubungsausbeute und Konzentrationsprofilen an. Die Auswertung und der Vergleich von Simulationen unterschiedlicher Fe/W-Systeme erlauben dann Rückschlüsse auf das Anreicherungsverhalten von Wolfram an der Oberfläche. Voraussetzungen für die Arbeit sind Vertrautheit mit einer Programmiersprache (notwendig für die Erstellung von Auswerteskripten) und UNIX/LINUX-Kenntnisse. Contact: Dr. Udo v. Toussaint

Among other things humanity is facing two problems in the not too far future, global warming due to an overabundance of greenhouse gasses such as CO2 in the atmosphere and the need to transition away from finite fossil fuels to renewable energies. A way to tackle both these problems presents itself in the form of photochemical carbon dioxide reduction, where sunlight is harnessed to convert CO2 to higher energy products such as methanol. Unfortunately, currently available CO2 photo-reduction catalysts all suffer from very low turnover rates and are therefore not suitable for large scale industrial application. In the proposed Bachelor's project, candidates will employ state of the art computational---such as embedded density functional theory/classical mechanics simulations---and theoretical methods developed in the Reuter group to identify efficiency limiting steps and search for more effective photo-catalysts. Existing knowledge of UNIX based operating systems and programming is desirable, but not a necessity.

Hochenergetische astrophysikalische Prozesse mit bekannten Strahlungsausbrüchen werden den Explosionen von Sternen, oder auf Stern-Oberflächen zugeordnet, aber auch eventuell den Kollisionen von Objekten, oder Umbrüchen in starken Magnetfeldern. Aus Messungen hochenergetischer Strahlung im Roentgen- und Gamma-Bereich sind Lichtblitze (bursts, flares) bekannt, die zum Teil Neuland in unserer Kenntnis kosmischer Objekte eroeffnet haben. Die Suche nach solchen transienten Strahlungsausbruechen ist Thema dieser Arbeit. Je nach Neigung kann die Suche in ihrer Zielrichtung angepasst werden.

Der HPGe-Detektor mit 30% relativer Effizienz, der sich in der Niedrighintergrund-Kammer an der PGAA befindet, wird für die Messung der verzögerten Zerfalls-Gammastrahlung der aktivierten Proben benutzt. Wenn die Proben nur noch geringe Aktivitäten aufweisen, müssen diese näher an den Detektor positioniert werden, da die Effizienz dort deutlich größer ist. Wenn diese Effizienz größer als 0,01 ist, können mehrere Gamma-Photonen, emittiert von ein und demselben Nuklid, den Detektor gleichzeitig erreichen (durch tatsächliche Koinzidenz verursachter Summationseffekt), was die Peakintensitäten stark beeinträchtigen kann. Mit Hilfe der kernphysikalischen Eigenschaften des Nuklids und der sogenannten totalen Effizienz des Detektors, kann man diesen Effekt rechnerisch korrigieren. Die Aufgabe des Studenten gestaltet sich wie folgt: Nach der Einarbeitungsphase, besteht der experimentelle Teil daraus, zunächst die Kalibration durchzuführen, zu testen und schließlich die Korrekturmethode auf die aktuellen Proben anzuwenden.

1. Durchsicht der Literatur
2. Aktivierung und Messung der Nuklide mit Einzellinien
3. Bestimmung der totalen Effizienz
4. Anwendung und Test der Korrekturmethode
5. Verfassen der Bachelor-Arbeit

Weitere Informationen:  Dr. Zsolt Reváy, <zsolt.revay@frm2.tum.de>. Tel. 089 289 12694

Die Arbeit soll als Gruppearbeit von zwei Studierenden durchgeführt werden. Das Thema sollte interdisziplinär in den Bereichen Physik (Prof. Paul) und Maschinenwesen (Prof. Neu) bearbeitet werden.

Das Thema wird in bewertbare einzelne Arbeitspakete aufgeteilt sein. Neben der Einarbeitung in das Thema der Kern und Teilchenphysik werden Fähigkeiten zur Team-Arbeit in Forschergruppen und Projektmanagement Fähigkeiten für Naturwissenschaftler weiterentwickelt. Die Projektlastenhefte werden gemeinsam erarbeitet.

Kontakt: Rainer Stoepler 089/ 28914272 oder 0162 2944773