First-principles electronic theory of non-collinear magnetic order in transition-metal nanowires

The structural, electronic and magnetic properties of one-dimensional 3d transition-metal (TM) monoatomic chains having linear, zigzag and ladder geometries are investigated in the frame-work of first-principles density-functional theory. The stability of long-range magnetic order along the nanowires is determined by computing the corresponding frozen-magnon dispersion relations as a function of the 'spin-wave' vector q. First, we show that the ground-state magnetic orders of V, Mn and Fe linear chains at the equilibrium interatomic distances are non-collinear (NC) spin-density waves (SDWs) with characteristic equilibrium wave vectors q that depend on the composition and interatomic distance. The electronic and magnetic properties of these novel spin-spiral structures are discussed from a local perspective by analyzing the spin-polarized electronic densities of states, the local magnetic moments and the spin-density distributions for representative values q. Second, we investigate the stability of NC spin arrangements in Fe zigzag chains and ladders. We find that the non-collinear SDWs are remarkably stable in the biatomic chains (square ladder), whereas ferromagnetic order (q =0) dominates in zigzag chains (triangular ladders). The different magnetic structures are interpreted in terms of the corresponding effective exchange interactions J(ij) between the local magnetic moments μ(i) and μ(j) at atoms i and j. The effective couplings are derived by fitting a classical Heisenberg model to the ab initio magnon dispersion relations. In addition they are analyzed in the framework of general magnetic phase diagrams having arbitrary first, second, and third nearest-neighbor (NN) interactions J(ij). The effect of external electric fields (EFs) on the stability of NC magnetic order has been quantified for representative monoatomic free-standing and deposited chains. We find that an external EF, which is applied perpendicular to the chains, favors non-collinear order in V chains, whereas it stabilizes the ferromagnetic (FM) order in Fe chains. Moreover, our calculations reveal a change in the magnetic order of V chains deposited on the Cu(110) surface in the presence of external EFs. In this case the NC spiral order, which was unstable in the absence of EF, becomes the most favorable one when perpendicular fields of the order of 0.1 V/Å are applied. As a final application of the theory we study the magnetic interactions within monoatomic TM chains deposited on graphene sheets. One observes that even weak chain substrate hybridizations can modify the magnetic order. Mn and Fe chains show incommensurable NC spin configurations. Remarkably, V chains show a transition from a spiral magnetic order in the freestanding geometry to FM order when they are deposited on a graphene sheet. Some TM-terminated zigzag graphene-nanoribbons, for example V and Fe terminated nanoribbons, also show NC spin configurations. Finally, the magnetic anisotropy energies (MAEs) of TM chains on graphene are investigated. It is shown that Co and Fe chains exhibit significant MAEs and orbital magnetic moments with in-plane easy magnetization axis. The remarkable changes in the magnetic properties of chains on graphene are correlated to charge transfers from the TMs to NN carbon atoms. Goals and limitations of this study and the resulting perspectives of future investigations are discussed.

Untersuchung von Schichtsystemen für die magnetooptische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie

Untersuchung von Schichtsystemen für die magneto-optische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie Dissertation von Stephan Knappmann, Universität Gh Kassel, 2000 Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modifiziertes Kerr-Mikroskop aufgebaut und für eine neuartige Untersuchungsmethode von gekoppelten magnetischen Schichten angewendet. Damit können Schichtsysteme untersucht werden, bei denen die eine Schicht eine temperaturabhängige Reorientierung der Magnetisierung von in-plane zu senkrecht zeigt. Derartige Schichten sind für zukünftige magnetooptische Speichertechniken interessant, da sie für die magnetisch induzierte Superauflösung (MSR) eingesetzt werden können. Zunächst wurde ein Ganzfeld-Kerr-Mikroskop aufgebaut und durch einen zusätzlichen Strahlengang erweitert. Da die Proben lokal geheizt werden sollten, wurde der Strahl eines Diodenlasers (l = 780 nm) in den Strahlengang eingekoppelt, durch das Mikroskopobjektiv auf die Probe fokussiert und nach der Reflexion vollständig aus dem Strahlengang entfernt. Dies war deshalb wichtig, da Domänenbilder aufgenommen werden sollten, während die Schichten lokal geheizt werden. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den magnetooptischen Ausleseprozeß in MSR Systemen mikroskopisch zu simulieren. Dies wurde am Beispiel einer Doppelschicht demonstriert. Dieses Schichtsystem besteht aus einer Speicherschicht mit senkrechter Magnetisierung (TbFeCo) und einer Ausleseschicht mit temperaturabhängiger Reorientierung (GdFeCo). Damit ist dieses Schichtsystem für eine spezielle MSR Technik (CAD-MSR) geeignet. Dabei wird im heißen Bereich des laserinduzierten Temperaturprofils die Information aus der Speicherschicht in die Ausleseschicht kopiert, so daß eine Apertur gebildet wird, die nur von der Temperaturverteilung abhängt. Bei diesem Schichtsystem konnte gezeigt werden, daß sich durch ein Magnetfeld die Aperturwirkung deutlich verbessern läßt. Dieses Ergebnis läßt sich auf alle Schichten übertragen, bei denen die Reorientierung der Magnetisierung durch allmähliche Drehung erfolgt. Die wesentlichen Ergebnisse der Domänenbeobachtungen an der TbFeCo/GdFeCo-Doppelschicht konnten durch Simulationen mit Hilfe eines einfachen Modells bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung von Vielfachschichten. Es wurden Tb/Fe-Vielfachschichten mit einer Modulationswellenlänge von 1,5 - 5 nm durch Kathodenzerstäubung hergestellt und magnetisch charakterisiert. Die natürlichen Domänen-strukturen zeigten eine starke Abhängigkeit von dem Verhältnis der Tb- und Fe-Schichtdicken. Die Erklärung kann durch das Wechselspiel von magnetostatischer Energie EMS und Domänenwandenergie EDW gegeben werden. In der Nähe des Kompensationspunktes ist EMS klein und EDW dominiert. Als Folge bilden sich zirkulare Domänen. Mit der Entfernung vom Kompensationspunkt steigt EMS und es wird eine verzweigte Domänenstruktur favorisiert. Thermomagnetische Schreibexperimente an einer ausgewählten Tb/Fe-Vielfachschicht haben ergeben, daß sich bei kleinen Schreib-Magnetfeldern Subdomänenstrukturen ausbilden können. In der Praxis ist ein solcher Subdomänenzustand unerwünscht, da er zu einem erhöhten Ausleserauschen führen würde. Der Effekt läßt sich durch ein höheres Magnetfeld oder eine höhere Kompensationstemperatur (höhere Tb-Konzentration) vermeiden. Schließlich wurde demonstriert, daß nach kleinen Änderungen mit dem Mikroskop Domänen in longitudinaler Konfiguration abgebildet werden können. Da die Kerr-Drehungen hier kleiner sind als im polaren Fall, mußten verschiedene Verfahren der Bildverarbeitung angewendet werden, um den magnetischen Kontrast zu vergrößern. Neben der bekannten Subtraktion eines Referenzbildes wurde ein neues Verfahren zur weiteren Verbesserung der Domänenbilder angewendet, wobei zwei Referenzbilder mit entgegengesetzter Magnetisierung benötigt werden.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Verbesserung der seismischen Kapazität von Mauerwerkswänden durch Verwendung von Elastomerlagern

Ein großer Teil der Schäden wie auch der Verluste an Gesundheit und Leben im Erdbebenfall hat mit dem frühzeitigen Versagen von Mauerwerksbauten zu tun. Unbewehrtes Mauerwerk, wie es in vielen Ländern üblich ist, weist naturgemäß einen begrenzten Erdbebenwiderstand auf, da Zugspannungen und Zugkräfte nicht wie bei Stahlbeton- oder Stahlbauten aufgenommen werden können. Aus diesem Grund wurde bereits mit verschiedenen Methoden versucht, die Tragfähigkeit von Mauerwerk im Erdbebenfall zu verbessern. Modernes Mauerwerk kann auch als bewehrtes oder eingefasstes Mauerwerk hergestellt werden. Bei bewehrtem Mauerwerk kann durch die Bewehrung der Widerstand bei Beanspruchung als Scheibe wie als Platte verbessert werden, während durch Einfassung mit Stahlbetonelementen in erster Linie die Scheibentragfähigkeit sowie die Verbindung zu angrenzenden Bauteilen verbessert wird. Eine andere interessante Möglichkeit ist das Aufbringen textiler Mauerwerksverstärkungen oder von hochfesten Lamellen. In dieser Arbeit wird ein ganz anderer Weg beschritten, indem weiche Fugen Spannungsspitzen reduzieren sowie eine höhere Verformbarkeit gewährleiten. Dies ist im Erdbebenfall sehr hilfreich, da die Widerstandfähigkeit eines Bauwerks oder Bauteils letztlich von der Energieaufnahmefähigkeit, also dem Produkt aus Tragfähigkeit und Verformbarkeit bestimmt wird. Wenn also gleichzeitig durch die weichen Fugen keine Schwächung oder sogar eine Tragfähigkeitserhöhung stattfindet, kann der Erdbebenwiderstand gesteigert werden. Im Kern der Dissertation steht die Entwicklung der Baukonstruktion einer Mauerwerkstruktur mit einer neuartigen Ausbildung der Mauerwerksfugen, nämlich Elastomerlager und Epoxydharzkleber anstatt üblichem Dünnbettmörtel. Das Elastomerlager wird zwischen die Steinschichten einer Mauerwerkswand eingefügt und damit verklebt. Die Auswirkung dieses Ansatzes auf das Verhalten der Mauerwerkstruktur wird unter dynamischer und quasi-statischer Last numerisch und experimentell untersucht und dargestellt.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.