Squared interaction matrix Sherrington-Kirkpatrick model for a spin glass

The mean-field theory of a spin glass with a specific form of nearest- and next-nearest-neighbor interactions is investigated. Depending on the sign of the interaction matrix chosen we find either the continuous replica symmetry breaking seen in the Sherrington-Kirkpartick model or a one-step solution similar to that found in structural glasses. Our results are confirmed by numerical simulations and the link between the type of spin-glass behavior and the density of eigenvalues of the interaction matrix is discussed.

Nd:Glass Laser-Induced Damage To Thin Films, Two-Photon Excited Fluorescence And Plasma Studies

Laser-induced damage is the principal limiting constraint in the design and operation of high-power laser systems used in fusion and other high-energy laser applications. Therefore, an understanding of the mechanisms which cause the radiation damage to the components employed in building a laser and a knowledge of the damage threshold of these materials are of great importance in designing a laser system and to operate it without appreciable degradation in performance. This thesis, even though covers three distinct problems for investigations using a dye Q-switched multimode Nd:glass laser operating at 1062 nm and emitting 25 ns (FWHM) pulses, lays its main thrust on damage threshold studies on thin films. Using the same glass laser two-photon excited fluorescence in rhodamine 6G and generation and characterisation of a carbon plasma have also been carried out.

Quick Addition of Decimals Using Reversible Conservative Logic

In recent years, reversible logic has emerged as one of the most important approaches for power optimization with its application in low power CMOS, nanotechnology and quantum computing. This research proposes quick addition of decimals (QAD) suitable for multi-digit BCD addition, using reversible conservative logic. The design makes use of reversible fault tolerant Fredkin gates only. The implementation strategy is to reduce the number of levels of delay there by increasing the speed, which is the most important factor for high speed circuits.

Spectroscopic and photoluminescence studies on optically transparent magnetic nanocomposites based on sol–gel glass: Fe3O4

Sol–gel glasses with Fe3O4 nanoparticles having particle sizes laying in the range 10–20 nm were encapsulated in the porous network of silica resulting in nanocomposites having both optical and magnetic properties. Spectroscopic and photoluminescence studies indicated that Fe3O4 nanocrystals are embedded in the silica matrix with no strong Si–O–Fe bonding. The composites exhibited a blue luminescence. The optical absorption edge of the composites red shifted with increasing concentration of Fe3O4 in the silica matrix. There is no obvious shift in the position of the luminescence peak with the concentration of Fe3O4 except that the intensity of the peak is decreased. The unique combinations of magnetic and optical properties are appealing for magneto–optical applications.

Swift heavy ion induced surface and microstructural evolution in metallic glass thin films

Swift heavy ion induced changes in microstructure and surface morphology of vapor deposited Fe–Ni based metallic glass thin films have been investigated by using atomic force microscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Ion beam irradiation was carried out at room temperature with 103 MeV Au9+ beam with fluences ranging from 3 1011 to 3 1013 ions/cm2. The atomic force microscopy images were subjected to power spectral density analysis and roughness analysis using an image analysis software. Clusters were found in the image of as-deposited samples, which indicates that the film growth is dominated by the island growth mode. As-deposited films were amorphous as evidenced from X-ray diffraction; however, high resolution transmission electron microscopy measurements revealed a short range atomic order in the samples with crystallites of size around 3 nm embedded in an amorphous matrix. X-ray diffraction pattern of the as-deposited films after irradiation does not show any appreciable changes, indicating that the passage of swift heavy ions stabilizes the short range atomic ordering, or even creates further amorphization. The crystallinity of the as-deposited Fe–Ni based films was improved by thermal annealing, and diffraction results indicated that ion beam irradiation on annealed samples results in grain fragmentation. On bombarding annealed films, the surface roughness of the films decreased initially, then, at higher fluences it increased. The observed change in surface morphology of the irradiated films is attributed to the interplay between ion induced sputtering, volume diffusion and surface diffusion

Exchange bias effect in partially oxidized amorphous Fe–Ni–B based metallic glass nanostructures

The magnetic properties of amorphous Fe–Ni–B based metallic glass nanostructures were investigated. The nanostructures underwent a spin-glass transition at temperatures below 100 K and revealed an irreversible temperature following the linear de Almeida–Thouless dependence. When the nanostructures were cooled below 25 K in a magnetic field, they exhibited an exchange bias effect with enhanced coercivity. The observed onset of exchange bias is associated with the coexistence of the spin-glass phase along with the appearance of another spin-glass phase formed by oxidation of the structurally disordered surface layer, displaying a distinct training effect and cooling field dependence. The latter showed a maximum in exchange bias field and coercivity, which is probably due to competing multiple equivalent spin configurations at the boundary between the two spin-glass phases

Evolution of structural and magnetic properties of Co–Fe based metallic glass thin films with thermal annealing

Ultra thin films based on CoFe were prepared from a composite target employing thermal evaporation. The microstructure of the films was modified by thermal annealing. The relationship between microstructure and magnetic properties of the films was investigated using techniques like glancing angle X-ray diffraction (GXRD), transmission electron microscopy (TEM) and vibrating sample magnetometry (VSM). The GXRD and TEM investigations showed an onset of crystallization of CoFe at around 373 K. The magnetic softness of the films improved with thermal annealing but at higher annealing temperature it is found to be deteriorating. Annealing inducedmodification of surface morphology of the alloy thin filmswas probed by atomic force microscopy (AFM). Surface smoothening was observed with thermal annealing and the observed magnetic properties correlate well with surface modifications induced by thermal annealing

Photoluminescence studies of spray pyrolytically grown nanostructured tin oxide semiconductor thin films on glass substrates

SnO2 nanocrystalline thin films were deposited on glass substrates by the spray pyrolysis technique in air atmosphere at 375, 400, 425, 450 and 500 ◦C substrate temperatures. The obtained films were characterized by using XRD. The room temperature photoluminescence (PL) spectra of these films have near band edge (NBE) and deep level emission under the excitation of 325 nm radiation. NBE PL peak intensity decreased consistently with temperatures for samples prepared at 400, 450 and 500 ◦C, while a sudden reduction in intensity is observed for the sample prepared at 425 ◦C. A similar effect was observed for the optical transmittance spectra. These effects can be explained on the basis of the change in population of oxygen vacancies as indicated by the change in a values

Mn2þ-induced room-temperature ferromagnetism and spin-glass behavior in hydrothermally grown Mn-doped ZnO nanorods

The magnetic properties of Mn-doped ZnO (ZnO:Mn) nanorods grown by hydrothermal process at a temperature of 200 8C and a growth time of 3 h have been studied. The samples were characterized by using powder X-ray diffraction with Rietveld refinement, scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray analysis and SQUID magnetometry. Mn (3 wt%) and (5 wt%)-doped ZnO samples exhibit paramagnetic and ferromagnetic behavior, respectively, at room temperature. The spin-glass behavior is observed from the samples with respect to the decrease of temperature. At 10 K, both samples exhibit a hysteresis loop with relatively low coercivity. The room-temperature ferromagnetism in 5 wt% Mn-doped ZnO nanorods is attributed to the increase in the specific area of grain boundaries, interaction between dopant Mn2þ ions substituted at Zn2þ site and the interaction between Mn2þ ions and Zn2þ ions from the ZnO host lattice

Structural And Surface Morphological Investigation Of Formation Stages Of Highly (002) Oriented Zno Films On Glass Substrates By Spray Pyrolysis Method

ZnO thin films were coated on amorphous glass substrate at various temperatures in the range 160-500 0C by spray pyrolysis method. The as deposited films were characterised by using XRD and SEM. Wurtzite phase of ZnO was formed at a substrate temperature of 400 0C, highly oriented (002) phase was developed with respect to increase of substrate temperature from 450 to 500 0C. Morphological and growth mode of these films were analyzed with respect to structural orientation of films from wurtzite to highly (002) oriented phase. Present study reveals that substrate temperature was one of the important parameters which determine the crystalline quality, population of defects, grain size, orientation and morphology of the films

High Styrene–Rubber Ionomers, an Alternative to Thermoplastic Elastomers

High styrene rubber ionomers were prepared by sulfonating styrene–butadiene rubber of high styrene content (high styrene rubber) in 1,2-dichloroethane using acetyl sulfate reagent, followed by neutralization of the precursor acids using methanolic zinc acetate. The ionomers were characterized using X-ray fluorescence spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), dynamic mechanical analysis (DMA), and also by the evaluation of mechanical properties. The FTIR studies of the ionomer reveal that the sulfonate groups are attached to the benzene ring. The NMR spectra give credence to this observation. Results of DMA show an ionic transition (Ti) in addition to glass–rubber transition (Tg). Incorporation of ionic groups results in improved mechanical properties as well as retention of properties after three cycles of processing

Microwave exfoliated reduced graphene oxide epoxy nanocomposites for high performance applications

Graphene has captured the attention of scientific community due to recently emerging high performance applications. Hence, studying its reinforcing effects on epoxy resin is a significant step. In this study, microwave exfoliated reduced graphene oxide (MERGO) was prepared from natural graphite for subsequent fabrication of epoxy nanocomposites using triethylenetetramine (TETA) as a curing agent via insitu polymerization. Thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), C13 NMR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultravioletevisible (UVevis) spectroscopy were employed to confirm the simultaneous reduction and exfoliation of graphene oxide. The reinforcing effect of MERGO on epoxy resin was explored by investigating its static mechanical properties and dynamic mechanical analysis (DMA) at MERGO loadings of 0 to 0.5 phr. The micro-structure of epoxy/MERGO nanocomposites was investigated using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and XRD techniques. The present work reports an enhancement of 32%, 103% and 85% in tensile, impact and flexural strength respectively of epoxy by the addition of even 0.25 phr MERGO. At this loading elastic and flexural moduli also increased by 10% and 65%, respectively. Single-edge-notch three-point-Bending (SEN-TPB) fracture toughness (KIC) measurements were carried out where a 63% increase was observed by the introduction of 0.25 phr MERGO. The interfacial interactions brought about by graphene also benefited the dynamic mechanical properties to a large extent in the form of a significant enhancement in storage modulus and slightly improved glass transition temperature. Considerable improvements were also detected in dielectric properties. The epoxy nanocomposite also attained an ac conductivity of 10 5 S/m and a remarkable increase in dielectric constant. The simple and cost effective way of graphene synthesis for the fabrication of epoxy/MERGO nanocomposites may be extended to the preparation of other MERGO based polymer nanocomposites. This remarkable class of materials has thrown open enormous opportunities for developing conductive adhesives and in microelectronics

Modification of Polypropylene/High Density Polyethylene Blend Using Nanokaolinite Clay and E-Glass Fibre: Preparation, Characterization and Micromechanical Modelling

Upgrading two widely used standard plastics, polypropylene (PP) and high density polyethylene (HDPE), and generating a variety of useful engineering materials based on these blends have been the main objective of this study. Upgradation was effected by using nanomodifiers and/or fibrous modifiers. PP and HDPE were selected for modification due to their attractive inherent properties and wide spectrum of use. Blending is the engineered method of producing new materials with tailor made properties. It has the advantages of both the materials. PP has high tensile and flexural strength and the HDPE acts as an impact modifier in the resultant blend. Hence an optimized blend of PP and HDPE was selected as the matrix material for upgradation. Nanokaolinite clay and E-glass fibre were chosen for modifying PP/HDPE blend. As the first stage of the work, the mechanical, thermal, morphological, rheological, dynamic mechanical and crystallization characteristics of the polymer nanocomposites prepared with PP/HDPE blend and different surface modified nanokaolinite clay were analyzed. As the second stage of the work, the effect of simultaneous inclusion of nanokaolinite clay (both N100A and N100) and short glass fibres are investigated. The presence of nanofiller has increased the properties of hybrid composites to a greater extent than micro composites. As the last stage, micromechanical modeling of both nano and hybrid A composite is carried out to analyze the behavior of the composite under load bearing conditions. These theoretical analyses indicate that the polymer-nanoclay interfacial characteristics partially converge to a state of perfect interfacial bonding (Takayanagi model) with an iso-stress (Reuss IROM) response. In the case of hybrid composites the experimental data follows the trend of Halpin-Tsai model. This implies that matrix and filler experience varying amount of strain and interfacial adhesion between filler and matrix and also between the two fillers which play a vital role in determining the modulus of the hybrid composites.A significant observation from this study is that the requirement of higher fibre loading for efficient reinforcement of polymers can be substantially reduced by the presence of nanofiller together with much lower fibre content in the composite. Hybrid composites with both nanokaolinite clay and micron sized E-glass fibre as reinforcements in PP/HDPE matrix will generate a novel class of high performance, cost effective engineering material.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Magnetische Kopplungen in magneto-optischen Speicherschichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magneto-optische Speicherschichten und ihre Kopplungen untereinander untersucht. Hierzu wurden zum Einen die für die magneto-optische Speichertechnologie "klassischen" Schichten aus RE/TM-Legierungen verwendet, zum Anderen aber auch erfolgreich Granate integriert, die bisher nicht in diesem Anwendungsgebiet verwendet wurden. Einleitend werden die magneto-optischen Verfahren, die resultierenden Anforderungen an die dünnen Schichten und die entsprechenden physikalischen Grundlagen diskutiert. Außerdem wird auf das Hochfrequenz-Sputtern von RE/TM-Legierungen eingegangen und die verwendeten magneto-optischen Messverfahren werden erläutert [Kap. 2 & 3]. Die Untersuchungen an RE/TM-Schichten bestätigen die aus der Literatur bekannten Eigenschaften. Sie lassen sich effektiv, und für magneto-optische Anwendungen geeignet, über RF-Sputtern herstellen. Die unmittelbaren Schicht-Parameter, wie Schichtdicke und Terbium-Konzentration, lassen sich über einfache Zusammenhänge einstellen. Da die Terbium-Konzentration eine Änderung der Kompensationstemperatur bewirkt, lässt sich diese mit Messungen am Kerr-Magnetometer überprüfen. Die für die Anwendung interessante senkrechte magnetische Anisotropie konnte ebenfalls mit den Herstellungsbedingungen verknüpft werden. Bei der Herstellung der Schichten auf einer glatten Glas-Oberfläche (Floatglas) zeigt die RE/TM-Schicht bereits in den ersten Lagen ein Wachstumsverhalten, das eine senkrechte Anisotropie bewirkt. Auf einer Quarzglas- oder Keramik-Oberfläche wachsen die ersten Lagen in einer durch das Substrat induzierten Struktur auf, danach ändert sich das Wachstumsverhalten stetig, bis eine senkrechte Anisotropie erreicht wird. Dieses Verhalten kann auch durch verschiedene Pufferschichten (Aluminium und Siliziumnitrid) nur unwesentlich beeinflusst werden [Kap. 5 & Kap. 6]. Bei der direkten Aufbringung von Doppelschichten, bestehend aus einer Auslese-Schicht (GdFeCo) auf einer Speicherschicht (TbFeCo), wurde die Austausch-Kopplung demonstriert. Die Ausleseschicht zeigt unterhalb der Kompensationstemperatur keine Kopplung an die Speicherschicht, während oberhalb der Kompensationstemperatur eine direkte Kopplung der Untergitter stattfindet. Daraus ergibt sich das für den MSR-Effekt erwünschte Maskierungsverhalten. Die vorher aus den Einzelschichten gewonnen Ergebnisse zu Kompensationstemperatur und Wachstumsverhalten konnten in den Doppelschichten wiedergefunden werden. Als Idealfall erweist sich hier die einfachste Struktur. Man bringt die Speicherschicht auf Floatglas auf und bedeckt diese direkt mit der Ausleseschicht [Kap. 7]. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, den Faraday-Effekt einer Granatschicht als verstärkendes Element zu nutzen. Im anwendungstauglichen, integrierten Schichtsystem konnten die kostengünstig, mit dem Sol-Gel-Verfahren produzierten, Granate die strukturellen Anforderungen nicht erfüllen, da sich während der Herstellung Risse und Löcher gebildet haben. Bei der experimentellen Realisierung mit einer einkristallinen Granatschicht und einer RE/TM-Schicht konnte die prinzipielle Eignung des Schichtsystems demonstriert werden [Kap. 8].