Mikrostruktur und Magnetisierungsdynamik feinmodulierter Co/Pt-Heterostrukturen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften von (111)-texturierten epitaktischen dünnen Co/Pt-Vielfachschichten und Pt/Co/Pt-Heterostrukturen. Mit Hilfe von Röntgen-Diffraktions-Experimenten wurde der Einfluß der Oberflächenqualität des MgO (111) Substratmaterials auf die Zwischenlagenstruktur und die kristalline Ordnung in den Filmen analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, daß die Unordnung an der Co/Pt-Grenzfläche unterhalb einer Längenskala von 6 nm allein durch die Wachstums- und Interdiffusionsprozesse zwischen der Co- und der Pt-Lage bestimmt ist, unabhängig von der Qualität der Substratoberfläche. Demgegenüber zeigte sich, daß durch eine besondere Substratbehandlung eine langreichweitige kristalline Kohärenz der Schichten und eine Unterdrückung der Verzwillingung aus abc- und acb-Wachstumsdomänen des fcc-Platin erzielt werden können. Anhand integraler Messungen des magneto-optischen Kerr-Effektes wurde ein direkter Zusammenhang zwischen der Substrat-induzierten Defektdichte der Filme und der Nukleation magnetischer Domänen während der Ummagnetisierung nachgewiesen. Pt/Co/Pt-Dreifachlagen mit Kobalt-Dicken bis zu 1 nm besitzen eine senkrechte magnetische Anisotropie und zeigen magnetische Domänen mit Größen von bis zu einigen hundert Mikrometern, die mit Hilfe optischer Kerr-Mikroskopie visualisiert wurden. In Pt/Co/Pt-Dreifachschichten mit weniger als drei Monolagen Kobalt, welche auf vicinalen MgO (111)-Substraten aufgebracht wurden, treten während der Ummagnetisierung aufgrund anisotroper Domänenwandbewegung charakteristische dreieckige Domänenformen auf. Es wurde ein mikroskopischer Mechanismus vorgeschlagen, welcher dieses anisotrope Pinning von magnetischen Domänenwänden an mesoskopischen Stufen-Strukturen der Substratoberfläche beschreibt. Zur quantitativen Beschreibung der anisotropen Domänenwandbewegung wurden zweidimensionale numerische Simulationen durchgeführt, basierend auf einem modifizierten Random-Field-Ising-Modell mit einem Ginzburg-Landau-artigen Hamiltonian, in dem der Einfluß der Stufenkanten auf den Ordnungsparamter durch ein neu eingeführtes effektives anisotropes Feld G(r) repräsentiert ist. Unter Annahme einer lateralen Anordnung der Stufenkanten in Form eines Fischgrätenmusters konnten im Rahmen dieses Modells die experimentell beobachteten charakteristischen anisotropen Domänenformen sowie die Skaleneigenschaften der Domänenwände in exzellenter Weise numerisch reproduziert werden.

Spin polarised Heusler compounds

In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt.

Nonlinear Control of Magnetically Actuated Spacecraft

The topic of this thesis is the feedback stabilization of the attitude of magnetically actuated spacecraft. The use of magnetic coils is an attractive solution for the generation of control torques on small satellites flying inclined low Earth orbits, since magnetic control systems are characterized by reduced weight and cost, higher reliability, and require less power with respect to other kinds of actuators. At the same time, the possibility of smooth modulation of control torques reduces coupling of the attitude control system with flexible modes, thus preserving pointing precision with respect to the case when pulse-modulated thrusters are used. The principle based on the interaction between the Earth's magnetic field and the magnetic field generated by the set of coils introduces an inherent nonlinearity, because control torques can be delivered only in a plane that is orthogonal to the direction of the geomagnetic field vector. In other words, the system is underactuated, because the rotational degrees of freedom of the spacecraft, modeled as a rigid body, exceed the number of independent control actions. The solution of the control issue for underactuated spacecraft is also interesting in the case of actuator failure, e.g. after the loss of a reaction-wheel in a three-axes stabilized spacecraft with no redundancy. The application of well known control strategies is no longer possible in this case for both regulation and tracking, so that new methods have been suggested for tackling this particular problem. The main contribution of this thesis is to propose continuous time-varying controllers that globally stabilize the attitude of a spacecraft, when magneto-torquers alone are used and when a momentum-wheel supports magnetic control in order to overcome the inherent underactuation. A kinematic maneuver planning scheme, stability analyses, and detailed simulation results are also provided, with new theoretical developments and particular attention toward application considerations.

Numerische und analytische Untersuchungen stark korrelierter fermionischer Mehrbandsysteme

In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche, stark korrelierte, fermionische Mehrbandsysteme untersucht. Es handelt sich dabei um ein Mehrstörstellen-Anderson-Modell, zwei Hubbard-Modelle sowie ein Mehrbandsystem, wie es sich aus einer ab initio-Beschreibung für ein korreliertes Halbmetall ergibt.rnrnDie Betrachtung des Mehrstörstellen-Anderson-Modells konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Austauschwechselwirkung und der nicht-lokalen Korrelationen zwischen zwei Störstellen in einem einfach-kubischen Gitter. Das zentrale Resultat ist die Abstandsabhängigkeit der Korrelationen der Störstellenelektronen, welche stark von der Gitterdimension und der relativen Position der Störstellen abhängen. Bemerkenswert ist hier die lange Reichweite der Korrelationen in der Diagonalrichtung des Gitters. Außerdem ergibt sich, dass eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung ein Singulett zwischen den Störstellenelektronen gegenüber den Kondo-Singuletts der einzelnen Störstellen favorisiert und so den Kondo-Effekt der einzelnen Störstellen behindert.rnrnEin Zweiband-Hubbard-Modell, das Jz-Modell, wird im Hinblick auf seine Mott-Phasen in Abhängigkeit von Dotierung und Kristallfeldaufspaltung auf dem Bethe-Gitter untersucht. Die Entartung der Bänder ist durch eine unterschiedliche Bandbreite aufgehoben. Wichtigstes Ergebnis sind die Phasendiagramme in Bezug auf Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter. Im Vergleich zu Einbandmodellen kommen im Jz-Modell sogenannte orbital-selektive Mott-Phasen hinzu, die, abhängig von Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter, einerseits metallischen und andererseits isolierenden Charakter haben. Ein neuer Aspekt ergibt sich durch den Kristallfeldparameter, der die ionischen Einteilchenniveaus relativ zueinander verschiebt, und für bestimmte Werte eine orbital-selektive Mott-Phase des breiten Bands ermöglicht. Im Vergleich mit analytischen Näherungslösungen und Einbandmodellen lassen sich generische Vielteilchen- und Korrelationseffekte von typischen Mehrband- und Einteilcheneffekten differenzieren.rnrnDas zweite untersuchte Hubbard-Modell beschreibt eine magneto-optische Falle mit einer endlichen Anzahl Gitterplätze, in welcher fermionische Atome platziert sind. Es wird eine z-antiferromagnetische Phase unter Berücksichtigung nicht-lokaler Vielteilchenkorrelationen erhalten, und dabei werden bekannte Ergebnisse einer effektiven Einteilchenbeschreibung verbessert.rnrnDas korrelierte Halbmetall wird im Rahmen einer Mehrbandrechnung im Hinblick auf Korrelationseffekte untersucht. Ausgangspunkt ist eine ab initio-Beschreibung durch die Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche dann durch die Hinzunahme lokaler Korrelationen ergänzt wird. Die Vielteilcheneffekte werden an Hand einer einfachen Wechselwirkungsnäherung verdeutlicht, und für ein Wechselwirkungsmodell in sphärischer Symmetrie präzisiert. Es ergibt sich nur eine schwache Quasiteilchenrenormierung. Besonders für röntgenspektroskopische Experimente wird eine gute Übereinstimmung erzielt.rnrnDie numerischen Ergebnisse für das Jz-Modell basieren auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Für alle anderen Systeme wird ein Mehrband-Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher explizit nicht-diagonale Mehrbandprozesse berücksichtigt.rnrn

Tunnelkontakte mit Heusler-Elektrode: Spinpolarisation von Co 2Cr 0,6Fe 0,4Al und Einfluss der Barriere

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Spinpolarisation von der Heusler-Verbindung Co2Cr0,6Fe0,4Al. Dieses Ziel wurde durch die sorgfältige Präparation von Co2Cr0,6Fe0,4Al basierten Tunnelkontakten realisiert. Tunnelwiderstandsmessungen an Co2Cr0,6Fe0,4Al-basiertenrnTunnelkontakten ergaben einen Tunnelmagnetowiderstand von 101% bei 4 K. DieserrnTunnelmagnetowiderstand legt eine untere Grenze von 67% für die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al fest.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al ist eine Heusler-Verbindung, der die Eigenschaften eines halbmetallischen Ferromagneten zugeschrieben werden. Ein halbmetallischer Ferromagnet hat an der Fermikante nur Elektronenspinzustände mit einer Polarisation. Als Folge davon können bei einem spinerhaltenden Tunnelprozess nur Elektronen einer Spinrichtung in den halbmetallischen Ferromagneten tunneln. Mit einem magnetischen Feld und einer durch einen Antiferromagneten fixierten Gegenelektrode, können an einem Tunnelkontakt mit einem spinpolarisierten Ferromagneten deshalb zwei Zustände, eine hohe und eine niedrige Tunnelleitfähigkeit, erzeugt werden. Daher finden spinpolarisierte Tunnelkontakte in Form von MRAM in der Datenspeicherung Verwendung. Bislang wurde jedoch keine Verbindung gefunden, der eine Spinpolarisation von 100% experimentell eindeutig nachgewiesen werden konnte. Für Co2Cr0,6Fe0,4Al lagen die höchsten gemessenen Spinpolarisationen um 50%.rnrnTunnelspektroskopie ist eine zuverlässige und anwendungsnahe Methode zur Untersuchung der Spinpolarisation. Inelastische Tunnelprozesse und eine reduzierte Ordnung an Grenzflächen bewirken einen reduzierten Tunnelmagnetowiderstand. Eine symmetriebrechende Barriere, wie amorphes AlOx, ist Voraussetzung für die Anwendung des Jullière-Modells zur Bestimmung der Spinpolarisation. Das Jullière-Modell verknüpft die Spin-aufgespaltenenrnZustandsdichten der Elektroden mit dem Tunnelmagnetowiderstand. Ohne einernsymmetriebrechende Barriere, zum Beispiel mit MgO als Isolatorschicht, können höhere Tunnelmagnetowiderstände erzwungen werden. Ein eindeutiger Rückschluss auf die Spinpolarisation ist dann jedoch nicht mehr möglich. Mit Aluminiumoxid-basierten Barrieren liefert die Anwendung des einfachen Jullière-Modells eine Untergrenze der Spinpolarisation.rnrnUm die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al durch Tunnelspektroskopie zu bestimmen, musste die Präparation der Tunnelkontakte verbessert werden. Dies wurde ermöglicht durch den Anbau einer neuen Sputterkammer mit besseren UHV-Bedingungen an ein bestehendes Präparationscluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al wird mit Hilfe von Radiofrequenz-Kathodenzerstäuben deponiert. Die resultierenden Schichten verfügen nach ihrer Deposition über einen höheren Ordnungsgrad und über eine geordnete Oberfläche. Durch eine Magnesium-Pufferschicht war es möglich, auf diese Oberfläche eine homogene amorphe AlOx-Barriere zu deponieren. Als Gegenelektrode wurde CoFe als Ferromagnet mit MnFe als Antiferromagnet gewählt. Diese Gegenelektrode ermöglicht Tunnelmessungen bis hin zu Raumtemperatur.rnrnMit den in dieser Arbeit vorgestellten optimierten Analyse- und Präparationsmethoden ist es möglich, die Untergrenze der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al auf 67% anzuheben. Dies ist der bisher höchste veröffentlichte Wert der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al.rn

Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metall-Wechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums im Photosystem II

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweikernige Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metallwechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums des Photo¬systems II synthetisiert und eine magneto-strukturelle Korrelation dieser Komplexe erstellt. Als Liganden wurden diverse sechs- bis siebenzähnige Chelatliganden verwendet, welche über zwei Koordinationstaschen und eine verbrückende Phenolatgruppe verfügen. Zwei daran gebundene Manganionen liegen in einer wohl definierten Umgebung nicht koordinativ gesättigt vor. An die freien Koordinationsstellen können weitere ein bis zwei Brückenliganden binden, bei denen es sich in dieser Arbeit hauptsächlich um Carboxylate handelt. Durch die Verwendung eines diamagnetischen Brückenliganden konnte die magnetische Spin-Spin-Austauschwechselwirkung zwischen den spintragenden Manganionen über die verbrücken¬de Phenolatgruppe bestimmt werden. Komplexe, welche über Manganionen in den gleichen Oxidationsstufen, aber über unterschiedliche Carboxylatbrückenliganden verfügen, weisen ähnliche magnetische Austauschwechselwirkungen zwischen den Metallzentren auf. Diese Beobachtung konnte durch eine strukturelle Ähnlichkeit dieser Komplexe erklärt werden. Mittels Aufsummieren der Bindungslängen der verbrückenden Phenolateinheit zu beiden Zentralionen kann innerhalb dieser Komplexe jeweils die Länge des Wechselwirkungspfades erhalten werden, welcher die magnetische Austauschwechselwirkung maßgeblich beein¬flusst. Je länger der Wechselwirkungspfad ist, desto kleiner ist die Austausch¬wechsel¬wirkung. Durch Austausch der diamagnetischen Carboxylate durch paramagnetische benzoat¬substituierte Nitronyl Nitroxid Radikale wurden den Komplexen ein bis zwei weitere Spinzentren hinzugefügt, welche mit den Spins der Zentralionen wechselwirken können. Simulationen der magnetischen Suszeptibilitätsmessungen liefern Werte für die magneti¬schen Austausch¬wechselwirkungen zwischen den Nitronyl Nitroxid Radikalen und den Manganionen, die in allen Fällen schwach ferromagnetisch zwischen 0 und 4,7 cm-1 sind. In einer Auftragung dieser Austauschwechselwirkungen gegen die Mangan-Carboxylat-Bindungs¬längen von strukturell charakterisierten äquivalenten acetatverbrückten Komplexen, kann eine lineare Abhängigkeit gezeigt werden.

Adsorption of macromolecules on interfaces studied by isothermal titration calorimetry

The mixing of nanoparticles with polymers to form composite materials has been applied for decades. They combine the advantages of polymers (e.g., elasticity, transparency, or dielectric properties) and inorganic nanoparticles (e.g., specific absorption of light, magneto resistance effects, chemical activity, and catalysis etc.). Nanocomposites exhibit several new characters that single-phase materials do not have. Filling the polymeric matrix with an inorganic material requires its homogeneous distribution in order to achieve the highest possible synergetic effect. To fulfill this requirement, the incompatibility between the filler and the matrix, originating from their opposite polarity, has to be resolved. A very important parameter here is the strength and irreversibility of the adsorption of the surface active compound on the inorganic material. In this work the Isothermal titration calorimetry (ITC) was applied as a method to quantify and investigate the adsorption process and binding efficiencies in organic-inorganic–hybrid-systems by determining the thermodynamic parameters (ΔH, ΔS, ΔG, KB as well as the stoichiometry n). These values provide quantification and detailed understanding of the adsorption process of surface active molecules onto inorganic particles. In this way, a direct correlation between the adsorption strength and structure of the surface active compounds can be achieved. Above all, knowledge of the adsorption mechanism in combination with the structure should facilitate a more rational design into the mainly empirically based production and optimization of nanocomposites.

Influence of defects and disorder on anomalous Hall effect and spin Seebeck effect on permalloy and Heusler compounds

In dieser Arbeit wurden dünne Schichten von Heusler-Verbindungen hergestellt und auf ihre Transporteigenschaften hin untersucht.rnDer Anomale Hall-Effekt (AHE) ist dabei von besonderem Interesse. Er ist ein seit langer Zeit bekannter, jedoch noch nicht vollständig verstandener Transport-Effekt. Die meisten Veröffentlichungen theoretischer Arbeiten konzentrieren sich auf den Einfluss eines bestimmten Beitrags zum AHE. Tatsächlich gemessene experimentelle Daten können jedoch oft nicht in Einklang mit idealisierten Annahmen gebracht werden. rnDie vorliegende Arbeit diskutiert die Ergebnisse, welche aus Messungen von Materialien mit niedrigem Restwiderstand erhalten wurden. rnrnAls prototypische Materialien wurden hier hyphenation Heusler-Verbindungen untersucht. Als Material mit einer komplexen Topologie der Fermi-Fläche zeichnet sich dort der Einfluss von Defekten und der Unordnung der Kristallstruktur deutlich ab.rnrnDurch Verwendung von Filmen mit unterschiedlichem Grad der Unordnung können verschiedene Streumechanismen unterschieden werden. Für Co$_{2}$FeSi$_{0.6}$Al$_{0.4}$ and Co$_{2}$FeGa$_{0.5}$Ge$_{0.5}$ zeigt sich ein positiver AHE bei einer Unordnung vom Typ B2 und bei einer induzierten temperaturabh"angigen Streuung, wo hingegen eine Typ DO$_{3}$-Unordnung zusammen mit anderen möglichen intrinsischen Beiträgen einen negativen Effekt hervorruft.rnrnDarüber hinaus wurden die magneto-optische Kerr-Effekte (MOKE) dieser Verbindungen untersucht. Hierfür wurden Beiträge erster Ordnung als Funktion der intrinsischen und extrinsischen Parameter qualitativ analysiert. Auf den Einfluss der kristallinen Ordnung auf Beiträge zweiter Ordnung des MOKE-Signals wird ebenfalls eingegangen.rnrnDes Weiteren wurden dünne Schichten der Heusler-Verbindung Co$_{2}$MnAl auf MgO- und Si-Subs-traten (beide (100)) mit Hochfrequenz-Mag-netron-Sputtern erzeugt. Die zusammensetzung sowie die magnetischen und Transport-Eigenschaften wurden hinsichtlich unterschiedlicher Abscheidebedingungen systematisch untersucht.rnrnInsbesondere zeigt der AHE-Widerstand ein außerordentliches temperaturunabhängiges Verhalten in einem Bereich moderater Magnetfeldstärken von 0 bis 0.6,T. Hierf"ur wurde der nicht-diagonale Transport bei Temperaturen bis zu 300,$^{circ}$C analysiert. Die Daten zeigen die Eignung des Materials für Hall-Sensoren auch oberhalb der Raumtemperatur.rnrnJüngst wurde der Spin Seebeck-Effekt (SSE) entdeckt. Der Effekt aus dem Bereich der Spin-Kaloritronik erzeugt eine Spin-Spannung'' aufgrund eines Temperaturgradienten in magnetischen Materialien. Hier werden vorläufige Messungen des SSE in Ni$_{80}$Fe$_{20}$ und in Heusler-Verbindungen präsentiert.rn

Accoppiamento magnetico di scambio e confinamento spaziale in film e nanodot di IrMn/NiFe

L'exchange bias, fenomeno legato allo spostamento del ciclo di isteresi lungo l'asse del campo magnetico, è osservato nei materiali ferromagnetici(FM)-antiferromagnetici(AFM) accoppiati per scambio. Il suo studio, soprattutto nelle nanostrutture, è interessante sia da un punto di vista fenomenologico sia per ragioni tecnologiche. In campo teorico, la riduzione delle dimensioni laterali nei sistemi FM-AFM può portare a sostanziali cambiamenti nell'entità dello spostamento del ciclo e nella coercitività. Da un punto di vista tecnologico, lo studio del fenomeno di exchange bias è incentivato dal grande sviluppo dello storage magnetico e della spintronica; le testine di lettura sono tipicamente composte da valvole di spin o strutture a giunzione tunnel, nelle quali i bistrati FM-AFM accoppiati per scambio costituiscono una parte essenziale. Inoltre, è stato recentemente dimostrato che le interazioni di scambio FM-AFM possono essere usate per migliorare la stabilità dei mezzi di registrazione magnetica. Questo lavoro di tesi riporta lo studio del fenomeno di exchange bias in film sottili di IrMn/NiFe ed in dots di uguale composizione ma con diverse dimensioni (1000, 500 e 300nm), allo scopo di comprendere come il confinamento spaziale influenzi il meccanismo di accoppiamento di scambio e la sua evoluzione magnetotermica. I campioni sono stati preparati mediante litografia a fascio di elettroni e dc-magnetron sputtering e caratterizzati strutturalmente attraverso tecniche di microscopia elettronica. Lo studio delle proprietà magnetiche è stato realizzato mediante magnetometria ad effetto Kerr magneto-ottico, tecnica molto efficace per indagini su film sottili e nanostrutture, di cui la tesi riporta un'ampia trattazione. Infine, i risultati sperimentali sono stati affiancati a simulazioni micromagnetiche, così da ottenere un quadro completo dell'effetto di exchange bias nel sistema IrMn/NiFe.

Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space

The dissertation entitled "Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space" comprises eight chapters. In the initial part of chapter 1, an overview of organic radicals and their applications were discussed and in the latter part motivation and objective of thesis was described. As the EPR spectroscopy is a necessary tool to study organic radicals, the basic principles of EPR spectroscopy were discussed in chapter 2. rnAntiferromagnetically coupled species can be considered as a source of interacting bosons. Consequently, such biradicals can serve as molecular models of a gas of magnetic excitations which can be used for quantum computing or quantum information processing. Notably, initial small triplet state population in weakly AF coupled biradicals can be switched into larger in the presence of applied magnetic field. Such biradical systems are promising molecular models for studying the phenomena of magnetic field-induced Bose-Einstein condensation in the solid state. To observe such phenomena it is very important to control the intra- as well as inter-molecular magnetic exchange interactions. Chapters 3 to 5 deals with the tuning of intra- and inter-molecular exchange interactions utilizing different approaches. Some of which include changing the length of π-spacer, introduction of functional groups, metal complex formation with diamagnetic metal ion, variation of radical moieties etc. During this study I came across two very interesting molecules 2,7-TMPNO and BPNO, which exist in semi-quinoid form and exhibits characteristic of the biradical and quinoid form simultaneously. The 2,7-TMPNO possesses the singlet-triplet energy gap of ΔEST = –1185 K. So it is nearly unrealistic to observe the magnetic field induced spin switching. So we studied the spin switching of this molecule by photo-excitation which was discussed in chapter 6. The structural similarity of BPNO with Tschitschibabin’s HC allowed us to dig the discrepancies related to ground state of Tschitschibabin’s hydrocarbon(Discussed in chapter 7). Finally, in chapter 8 the synthesis and characterization of a neutral paramagnetic HBC derivative (HBCNO) is discussed. The magneto liquid crystalline properties of HBCNO were studied by DSC and EPR spectroscopy.rn

Field-free control of magnetism in nanostructured materials probed with high resolution X-ray microscopy

Magnetic memories are a backbone of today's digital data storage technology, where the digital information is stored as the magnetic configuration of nanostructured ferromagnetic bits. Currently, the writing of the digital information on the magnetic memory is carried out with the help of magnetic fields. This approach, while viable, is not optimal due to its intrinsically high energy consumption and relatively poor scalability. For this reason, the research for different mechanisms that can be used to manipulate the magnetic configuration of a material is of interest. In this thesis, the control of the magnetization of different nanostructured materials with field-free mechanisms is investigated. The magnetic configuration of these nanostructured materials was imaged directly with high resolution x-ray magnetic microscopy. rnFirst of all, the control of the magnetic configuration of nanostructured ferromagnetic Heusler compounds by fabricating nanostructures with different geometries was analyzed. Here, it was observed that the magnetic configuration of the nanostructured elements is given by the competition of magneto-crystalline and shape anisotropy. By fabricating elements with different geometries, we could alter the point where these two effects equilibrate, allowing for the possibility to tailor the magnetic configuration of these nanostructured elements to the required necessities.rnThen, the control of the magnetic configuration of Ni nanostructures fabricated on top of a piezoelectric material with the magneto-elastic effect (i.e. by applying a piezoelectric strain to the Ni nanostructures) was investigated. Here, the magneto-elastic coupling effect gives rise to an additional anisotropy contribution, proportional to the strain applied to the magnetic material. For this system, a reproducible and reversible control of the magnetic configuration of the nanostructured Ni elements with the application of an electric field across the piezoelectric material was achieved.rnFinally, the control of the magnetic configuration of La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) nanostructures with spin-polarized currents was studied. Here, the spin-transfer torque effect was employed to achieve the displacement of magnetic domain walls in the LSMO nanostructures. A high spin-transfer torque efficiency was observed for LSMO at low temperatures, and a Joule-heating induced hopping of the magnetic domain walls was observed at room temperatures, allowing for the analysis of the energetics of the domain walls in LSMO.rnThe results presented in this thesis give thus an overview on the different field-free approaches that can be used to manipulate and tailor the magnetization configuration of a nanostructured material to the various technological requirements, opening up novel interesting possibilities for these materials.

Studio mediante magnetometro moke di film sottili di manganite per applicazioni in spintronica.

In questo lavoro di tesi è stata studiata l'anisotropia magnetica di film sottili epitassiali di La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), cresciuti con la tecnica Channel Spark Ablation su substrati monocristallini di SrTiO3 (001). L'interesse nei confronti di questi materiali nasce dal fatto che, grazie alla loro proprietà di half-metallicity, sono usati come iniettori di spin in dispositivi per applicazioni in spintronica, l'elettronica che considera elemento attivo per l'informazione non solo la carica elettrica ma anche lo spin dei portatori. Un tipico esempio di dispositivo spintronico è la valvola di spin (un dispositivo costituito da due film ferromagnetici metallici separati da uno strato conduttore o isolante) il cui stato resistivo dipende dall'orientazione relativa dei vettori magnetizzazione (parallela o antiparallela) degli strati ferromagnetici. E’ quindi di fondamentale importanza conoscere i meccanismi di magnetizzazione dei film che fungono da iniettori di spin. Questa indagine è stata effettuata misurando cicli di isteresi magnetica grazie ad un magnetometro MOKE (magneto-optical Kerr effect). Le misure di campo coercitivo e della magnetizzazione di rimanenza al variare dell'orientazione del campo rispetto al campione, permettono di identificare l'anisotropia, cioè gli assi di facile e difficile magnetizzazione. I risultati delle misure indicano una diversa anisotropia in funzione dello spessore del film: anisotropia biassiale (cioè con due assi facili di magnetizzazione) per film spessi 40 nm e uniassiale (un asse facile) per film spessi 20 nm. L'anisotropia biassiale viene associata allo strain che il substrato cristallino induce nel piano del film, mentre l'origine dell'uniassialità trova la giustificazione più probabile nella morfologia del substrato, in particolare nella presenza di terrazzamenti che potrebbero indurre una step-induced anisotropy. Il contributo di questi fattori di anisotropia alla magnetizzazione è stato studiato anche in temperatura.

Charge and spin transport in nanoscale junction from first principles

Recently nanoscale junctions consisting of 0-D nanostructures (single molecule) or 1-D nanostructures (semiconducting nanowire) sandwiched between two metal electrodes are successfully fabricated and characterized. What lacks in the recent developments is the understanding of the mechanism behind the observed phenomena at the level of atoms and electrons. For example, the origin of observed switching effect in a semiconducting nanowire due to the influence of an external gate bias is not yet understood at the electronic structure level. On the same context, different experimental groups have reported different signs in tunneling magneto-resistance for the same organic spin valve structure, which has baffled researchers working in this field. In this thesis, we present the answers to some of these subtle questions by investigating the charge and spin transport in different nanoscale junctions. A parameter-free, single particle Green’s function approach in conjunction with a posteriori density functional theory (DFT) involving a hybrid orbital dependent functional is used to calculate the tunneling current in the coherent transport limit. The effect of spin polarization is explicitly incorporated to investigate spin transport in a nanoscale junction. Through the electron transport studies in PbS nanowire junction, a new orbital controlled mechanism behind the switching of the current is proposed. It can explain the switching behavior, not only in PbS nanowire, but in other lead-chalcogenide nanowires as well. Beside this, the electronic structure properties of this nanowire are studied using periodic DFT. The quantum confinement effect was investigated by calculating the bandgap of PbS nanowires with different diameters. Subsequently, we explain an observed semiconducting to metallic phase transition of this nanowire by calculating the bandgap of the nanowire under uniform radial strain. The compressive radial strain on the nanowire was found to be responsible for the metallic to semiconducting phase transition. Apart from studying one dimensional nanostructure, we also present transport properties in zero dimensional single molecular junctions. We proposed a new codoping approach in a single molecular carborane junction, where a cation and an anion are simultaneously doped to find the role of a single atom in the device. The main purpose was to build a molecular junction where a single atom can dictate the flow of electrons in a circuit. Recent observations of both positive and negative sign in tunneling magnetoresistance (TMR) the using same organic spin-valve structure hasmystified researchers. From our spin dependent transport studies in a prototypical organic molecular tunneling device, we found that a 3% change in metal-molecule interfacial distance can alter the sign of TMR. Changing the interfacial distance by 3%, the number of participating eigenstates as well as their orbital characteristic changes for anti-parallel configuration of the magnetization at the two electrodes, leading to the sign reversal of the TMR. Apart from this, the magnetic proximity effect under applied bias is investigated quantitatively, which can be used to understand the observed unexpectedmagnetismin carbon basedmaterials when they are in close proximity with magnetic substrates.

Controlling electronic and magnetic properties of ultra narrow multilayered nanowires

Interest in the study of magnetic/non-magnetic multilayered structures took a giant leap since Grünberg and his group established that the interlayer exchange coupling (IEC) is a function of the non-magnetic spacer width. This interest was further fuelled by the discovery of the phenomenal Giant Magnetoresistance (GMR) effect. In fact, in 2007 Albert Fert and Peter Grünberg were awarded the Nobel Prize in Physics for their contribution to the discovery of GMR. GMR is the key property that is being used in the read-head of the present day computer hard drive as it requires a high sensitivity in the detection of magnetic field. The recent increase in demand for device miniaturization encouraged researchers to look for GMR in nanoscale multilayered structures. In this context, one dimensional(1-D) multilayerd nanowire structure has shown tremendous promise as a viable candidate for ultra sensitive read head sensors. In fact, the phenomenal giant magnetoresistance(GMR) effect, which is the novel feature of the currently used multilayered thin film, has already been observed in multilayered nanowire systems at ambient temperature. Geometrical confinement of the supper lattice along the 2-dimensions (2-D) to construct the 1-D multilayered nanowire prohibits the minimization of magnetic interaction- offering a rich variety of magnetic properties in nanowire that can be exploited for novel functionality. In addition, introduction of non-magnetic spacer between the magnetic layers presents additional advantage in controlling magnetic properties via tuning the interlayer magnetic interaction. Despite of a large volume of theoretical works devoted towards the understanding of GMR and IEC in super lattice structures, limited theoretical calculations are reported in 1-D multilayered systems. Thus to gauge their potential application in new generation magneto-electronic devices, in this thesis, I have discussed the usage of first principles density functional theory (DFT) in predicting the equilibrium structure, stability as well as electronic and magnetic properties of one dimensional multilayered nanowires. Particularly, I have focused on the electronic and magnetic properties of Fe/Pt multilayered nanowire structures and the role of non-magnetic Pt spacer in modulating the magnetic properties of the wire. It is found that the average magnetic moment per atom in the nanowire increases monotonically with an ~1/(N(Fe)) dependance, where N(Fe) is the number of iron layers in the nanowire. A simple model based upon the interfacial structure is given to explain the 1/(N(Fe)) trend in magnetic moment obtained from the first principle calculations. A new mechanism, based upon spin flip with in the layer and multistep electron transfer between the layers, is proposed to elucidate the enhancement of magnetic moment of Iron atom at the Platinum interface. The calculated IEC in the Fe/Pt multilayered nanowire is found to switch sign as the width of the non-magnetic spacer varies. The competition among short and long range direct exchange and the super exchange has been found to play a key role for the non-monotonous sign in IEC depending upon the width of the Platinum spacer layer. The calculated magnetoresistance from Julliere's model also exhibit similar switching behavior as that of IEC. The universality of the behavior of exchange coupling has also been looked into by introducing different non-magnetic spacers like Palladium, Copper, Silver, and Gold in between magnetic Iron layers. The nature of hybridization between Fe and other non-magnetic spacer is found to dictate the inter layer magnetic interaction. For example, in Fe/Pd nanowire the d-p hybridization in two spacer layer case favors anti-ferromagnetic (AFM) configuration over ferromagnetic (FM) configuration. However, the hybridization between half-filled Fe(d) and filled Cu(p) state in Fe/Cu nanowire favors FM coupling in the 2-spacer system.

Wireless and passive pressure sensor system based on the magnetic higher-order harmonic field

The goal of this work is to develop a magnetic-based passive and wireless pressure sensor for use in biomedical applications. Structurally, the pressure sensor, referred to as the magneto-harmonic pressure sensor, is composed of two magnetic elements: a magnetically-soft material acts as a sensing element, and a magnetically hard material acts as a biasing element. Both elements are embedded within a rigid sensor body and sealed with an elastomer pressure membrane. Upon excitation of an externally applied AC magnetic field, the sensing element is capable of producing higher-order magnetic signature that is able to be remotely detected with an external receiving coil. When exposed to environment with changing ambient pressure, the elastomer pressure membrane of pressure sensor is deflected depending on the surrounding pressure. The deflection of elastomer membrane changes the separation distance between the sensing and biasing elements. As a result, the higher-order harmonic signal emitted by the magnetically-soft sensing element is shifted, allowing detection of pressure change by determining the extent of the harmonic shifting. The passive and wireless nature of the sensor is enabled with an external excitation and receiving system consisting of an excitation coil and a receiving coil. These unique characteristics made the sensor suitable to be used for continuous and long-term pressure monitoring, particularly useful for biomedical applications which often require frequent surveillance. In this work, abdominal aortic aneurysm is selected as the disease model for evaluation the performance of pressure sensor and system. Animal model, with subcutaneous sensor implantation in mice, was conducted to demonstrate the efficacy and feasibility of pressure sensor in biological environment.