Surface effect ferromagnetism in pure and reduced strontium titanate

A room temperature ferromagnetic hysteresis is observed in single crystal strontium titanate substrates as purchased from several manufacturers. It was found that polishing all sides of the substrates removed this observed hysteresis, suggesting that the origin of the ferromagnetic behavior resides on the surface of the substrates. X-ray diffraction and energy dispersive x-ray spectra were measured however they were unable to detect any impurity phases. In similar semiconducting oxides it was previously suggested that ferromagnetism could originate in oxygen vacancies or from disorder within the single crystal. To this end substrates were annealed in both air and vacuum in a range of temperatures (600°C to 1100°G) to both create bulk oxygen vacancies and to heal surface damage. Annealing in vacuum was found to create a measureable number of oxygen vacancies however their creation could not be correlated to the ferromagnetic signal of the substrate. Annealing in air was found to effect the remnant moment of the substrate as well as the width of the x-ray diffraction peaks on the unpolished face, weakly suggesting a relation between surface based disorder and ferromagnetism. Argon ion bombardment was employed to create a layer of surface disorder in the polished crystal, however it was not found to induce ferromagnetism. It was found that acid etching was sufficient to remove the ferromagnetism from as purchased samples and similarly simulated handling with stainless steel tweezers was sufficient to re-create the ferromagnetism. It is suggested that the origin of this ferromagnetism in SrTi03 is surface contaminants (mainly iron).

Caractérisation d'une famille de récepteurs kinases impliqués dans le développement gamétophytique chez Arabidopsis thaliana

Au cours du développement des végétaux, de l’établissement de l’identité cellulaire des premiers organes au guidage du tube pollinique, la communication cellule à cellule est d’une importance capitale. En réponse, les voies de signalisation moléculaires sont élaborées pour la perception d’un signal extérieur et la transduction en une réponse génique via une cascade intracellulaire. Les récepteurs kinases font partie des protéines perceptrices des stimuli et constituent chez les plantes une catégorie de protéines avec une occurrence considérable, mais dont très peu d’informations détaillées sont disponibles à ce jour. Une famille de récepteurs kinases chez Arabidopsis thaliana, AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11), a été identifiée par orthologie à un récepteur spécifique aux ovaires chez une solanacéee sauvage, Solanum chacoense. La fonction présumée de cette famille de récepteurs kinases de type leucine-rich repeat, suggérée par son patron d’expression, implique les événements relatifs au développement des gamétophytes et à la reproduction. Afin de caractériser la fonction des quatre gènes de la famille (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c et AtORK11d) une stratégie d’analyse de mutants d’insertion de l’ADN-T et d’évaluation du mode d’action par complémentation bimoléculaire par fluorescence (BiFC) a été entreprise. Aucune fonction précise n’a pu être attribuée aux doubles mutants d’insertion, par contre la surexpression d’une construction dominante négative indique un rôle dans le développement gamétophytique. Il a aussi été démontré que les quatre récepteurs peuvent interagir par homodimérisation aussi bien que par hétérodimérisation. Une hypothèse de redondance fonctionnelle est ainsi mise à jour parmi la famille des gènes AtORK11.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

Synthesis and Characterization of Some Organic Semiconductors and Investigations on the Effect of Swift Heavy Ions on Their Properties

In this work polymers belonging to polyaniline and polyaniline doped with camphor sulphonic acid are synthesised. Cobalt phthalocyanine is an interesting candidate belonging to the tetramers. Studies on the composites containing cobalt phthalocyanine tetramer and polyaniline doped with camphor sulphonic acid for various concentration are also undertaken in order to understand the mechanism. RF plasma polymerised aniline and furfural are prepared. The structural and electrical properties are evaluated. The bombardment of swift heavy ions of these films are carried out and the effect of irradiation on their properties is also investigated.

Photothermal and photoacoustic investigations on certain polymers and semi conducting materials

Material synthesizing and characterization has been one of the major areas of scientific research for the past few decades. Various techniques have been suggested for the preparation and characterization of thin films and bulk samples according to the industrial and scientific applications. Material characterization implies the determination of the electrical, magnetic, optical or thermal properties of the material under study. Though it is possible to study all these properties of a material, we concentrate on the thermal and optical properties of certain polymers. The thermal properties are detennined using photothermal beam deflection technique and the optical properties are obtained from various spectroscopic analyses. In addition, thermal properties of a class of semiconducting compounds, copper delafossites, arc determined by photoacoustic technique.Photothermal technique is one of the most powerful tools for non-destructive characterization of materials. This forms a broad class of technique, which includes laser calorimetry, pyroelectric technique, photoacollstics, photothermal radiometric technique, photothermal beam deflection technique etc. However, the choice of a suitable technique depends upon the nature of sample and its environment, purpose of measurement, nature of light source used etc. The polynler samples under the present investigation are thermally thin and optically transparent at the excitation (pump beam) wavelength. Photothermal beam deflection technique is advantageous in that it can be used for the detennination of thermal diffusivity of samples irrespective of them being thermally thick or thennally thin and optically opaque or optically transparent. Hence of all the abovementioned techniques, photothemlal beam deflection technique is employed for the successful determination of thermal diffusivity of these polymer samples. However, the semi conducting samples studied are themlally thick and optically opaque and therefore, a much simpler photoacoustic technique is used for the thermal characterization.The production of polymer thin film samples has gained considerable attention for the past few years. Different techniques like plasma polymerization, electron bombardment, ultra violet irradiation and thermal evaporation can be used for the preparation of polymer thin films from their respective monomers. Among these, plasma polymerization or glow discharge polymerization has been widely lIsed for polymer thin fi Im preparation. At the earlier stages of the discovery, the plasma polymerization technique was not treated as a standard method for preparation of polymers. This method gained importance only when they were used to make special coatings on metals and began to be recognized as a technique for synthesizing polymers. Thc well-recognized concept of conventional polymerization is based on molecular processcs by which thc size of the molecule increases and rearrangemcnt of atoms within a molecule seldom occurs. However, polymer formation in plasma is recognized as an atomic process in contrast to the above molecular process. These films are pinhole free, highly branched and cross linked, heat resistant, exceptionally dielectric etc. The optical properties like the direct and indirect bandgaps, refractive indices etc of certain plasma polymerized thin films prepared are determined from the UV -VIS-NIR absorption and transmission spectra. The possible linkage in the formation of the polymers is suggested by comparing the FTIR spectra of the monomer and the polymer. The thermal diffusivity has been measured using the photothermal beam deflection technique as stated earlier. This technique measures the refractive index gradient established in the sample surface and in the adjacent coupling medium, by passing another optical beam (probe beam) through this region and hence the name probe beam deflection. The deflection is detected using a position sensitive detector and its output is fed to a lock-in-amplifIer from which the amplitude and phase of the deflection can be directly obtained. The amplitude and phase of the deflection signal is suitably analyzed for determining the thermal diffusivity.Another class of compounds under the present investigation is copper delafossites. These samples in the form of pellets are thermally thick and optically opaque. Thermal diffusivity of such semiconductors is investigated using the photoacoustic technique, which measures the pressure change using an elcctret microphone. The output of the microphone is fed to a lock-in-amplificr to obtain the amplitude and phase from which the thermal properties are obtained. The variation in thermal diffusivity with composition is studied.

Swift heavy ion induced surface modification for tailoring coercivity in Fe–Ni based amorphous thin films

Fe–Ni based amorphous thin films were prepared by thermal evaporation. These films were irradiated by 108 MeV Ag8+ ions at room temperature with fluences ranging from 1 1012 to 3 1013 ions/cm2 using a 15 UD Pelletron accelerator. Glancing angle x-ray diffraction studies showed that the irradiated films retain their amorphous nature. The topographical evolution of the films under swift heavy ion SHI bombardment was probed using atomic force microscope and it was noticed that surface roughening was taking place with ion beam irradiation. Magnetic measurements using a vibrating sample magnetometer showed that the coercivity of the films increases with an increase in the ion fluence. The observed coercivity changes are correlated with topographical evolution of the films under SHI irradiation. The ability to modify the magnetic properties via SHI irradiation could be utilized for applications in thin film magnetism

Tailoring Magnetic Properties of Co-Fe Thin Films by Topographical Modifications Using Thermal Annealing and Swift Heavy Ion Irradiation and Fabrication of Magnetoelectric Multilayers for Device Applications

Magnetism and magnetic materials have been playing a lead role in improving the quality of life. They are increasingly being used in a wide variety of applications ranging from compasses to modern technological devices. Metallic glasses occupy an important position among magnetic materials. They assume importance both from a scientific and an application point of view since they represent an amorphous form of condensed matter with significant deviation from thermodynamic equilibrium. Metallic glasses having good soft magnetic properties are widely used in tape recorder heads, cores of high-power transformers and metallic shields. Superconducting metallic glasses are being used to produce high magnetic fields and magnetic levitation effect. Upon heat treatment, they undergo structural relaxation leading to subtle rearrangements of constituent atoms. This leads to densification of amorphous phase and subsequent nanocrystallisation. The short-range structural relaxation phenomenon gives rise to significant variations in physical, mechanical and magnetic properties. Magnetic amorphous alloys of Co-Fe exhibit excellent soft magnetic properties which make them promising candidates for applications as transformer cores, sensors, and actuators. With the advent of microminiaturization and nanotechnology, thin film forms of these alloys are sought after for soft under layers for perpendicular recording media. The thin film forms of these alloys can also be used for fabrication of magnetic micro electro mechanical systems (magnetic MEMS). In bulk, they are drawn in the form of ribbons, often by melt spinning. The main constituents of these alloys are Co, Fe, Ni, Si, Mo and B. Mo acts as the grain growth inhibitor and Si and B facilitate the amorphous nature in the alloy structure. The ferromagnetic phases such as Co-Fe and Fe-Ni in the alloy composition determine the soft magnetic properties. The grain correlation length, a measure of the grain size, often determines the soft magnetic properties of these alloys. Amorphous alloys could be restructured in to their nanocrystalline counterparts by different techniques. The structure of nanocrystalline material consists of nanosized ferromagnetic crystallites embedded in an amorphous matrix. When the amorphous phase is ferromagnetic, they facilitate exchange coupling between nanocrystallites. This exchange coupling results in the vanishing of magnetocrystalline anisotropy which improves the soft magnetic properties. From a fundamental perspective, exchange correlation length and grain size are the deciding factors that determine the magnetic properties of these nanocrystalline materials. In thin films, surfaces and interfaces predominantly decides the bulk property and hence tailoring the surface roughness and morphology of the film could result in modified magnetic properties. Surface modifications can be achieved by thermal annealing at various temperatures. Ion irradiation is an alternative tool to modify the surface/structural properties. The surface evolution of a thin film under swift heavy ion (SHI) irradiation is an outcome of different competing mechanism. It could be sputtering induced by SHI followed by surface roughening process and the material transport induced smoothening process. The impingement of ions with different fluence on the alloy is bound to produce systematic microstructural changes and this could effectively be used for tailoring magnetic parameters namely coercivity, saturation magnetization, magnetic permeability and remanence of these materials. Swift heavy ion irradiation is a novel and an ingenious tool for surface modification which eventually will lead to changes in the bulk as well as surface magnetic property. SHI has been widely used as a method for the creation of latent tracks in thin films. The bombardment of SHI modifies the surfaces or interfaces or creates defects, which induces strain in the film. These changes will have profound influence on the magnetic anisotropy and the magnetisation of the specimen. Thus inducing structural and morphological changes by thermal annealing and swift heavy ion irradiation, which in turn induce changes in the magnetic properties of these alloys, is one of the motivation of this study. Multiferroic and magneto-electrics is a class of functional materials with wide application potential and are of great interest to material scientists and engineers. Magnetoelectric materials combine both magnetic as well as ferroelectric properties in a single specimen. The dielectric properties of such materials can be controlled by the application of an external magnetic field and the magnetic properties by an electric field. Composites with magnetic and piezo/ferroelectric individual phases are found to have strong magnetoelectric (ME) response at room temperature and hence are preferred to single phasic multiferroic materials. Currently research in this class of materials is towards optimization of the ME coupling by tailoring the piezoelectric and magnetostrictive properties of the two individual components of ME composites. The magnetoelectric coupling constant (MECC) (_ ME) is the parameter that decides the extent of interdependence of magnetic and electric response of the composite structure. Extensive investigates have been carried out in bulk composites possessing on giant ME coupling. These materials are fabricated by either gluing the individual components to each other or mixing the magnetic material to a piezoelectric matrix. The most extensively investigated material combinations are Lead Zirconate Titanate (PZT) or Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMNPT) as the piezoelectric, and Terfenol-D as the magnetostrictive phase and the coupling is measured in different configurations like transverse, longitudinal and inplane longitudinal. Fabrication of a lead free multiferroic composite with a strong ME response is the need of the hour from a device application point of view. The multilayer structure is expected to be far superior to bulk composites in terms of ME coupling since the piezoelectric (PE) layer can easily be poled electrically to enhance the piezoelectricity and hence the ME effect. The giant magnetostriction reported in the Co-Fe thin films makes it an ideal candidate for the ferromagnetic component and BaTiO3 which is a well known ferroelectric material with improved piezoelectric properties as the ferroelectric component. The multilayer structure of BaTiO3- CoFe- BaTiO3 is an ideal system to understand the underlying fundamental physics behind the ME coupling mechanism. Giant magnetoelectric coupling coefficient is anticipated for these multilayer structures of BaTiO3-CoFe-BaTiO3. This makes it an ideal candidate for cantilever applications in magnetic MEMS/NEMS devices. SrTiO3 is an incipient ferroelectric material which is paraelectric up to 0K in its pure unstressed form. Recently few studies showed that ferroelectricity can be induced by application of stress or by chemical / isotopic substitution. The search for room temperature magnetoelectric coupling in SrTiO3-CoFe-SrTiO3 multilayer structures is of fundamental interest. Yet another motivation of the present work is to fabricate multilayer structures consisting of CoFe/ BaTiO3 and CoFe/ SrTiO3 for possible giant ME coupling coefficient (MECC) values. These are lead free and hence promising candidates for MEMS applications. The elucidation of mechanism for the giant MECC also will be the part of the objective of this investigation.

Influence of the interaction potential on simulated sputtering and reflection data

The TRIM.SP program which is based on the binary collision approximation was changed to handle not only repulsive interaction potentials, but also potentials with an attractive part. Sputtering yields, average depth and reflection coefficients calculated with four different potentials are compared. Three purely repulsive potentials (Meliere, Kr-C and ZBL) are used and an ab initio pair potential, which is especially calculated for silicon bombardment by silicon. The general trends in the calculated results are similar for all potentials applied, but differences between the repulsive potentials and the ab initio potential occur for the reflection coefficients and the sputtering yield at large angles of incidence.

Fernsteuerung superparamagnetischer Partikel und Charakterisierung von Magnetkraftmikroskopiespitzen in externen Magnetfeldern mit magnetisch strukturierten Substraten

Die Ionenbeschussinduzierte magnetische Strukturierung (engl.: Ion Bombardment Induced Magnetic Patterning – IBMP) beinhaltet den Beschuss austauschverschobener Ferromagnet/Antiferromagnet-Schichtsysteme mit niederenergetischen Heliumionen durch eine lithographisch erstellte Lackmaske, die die Ionen nur in den gewünschten Bereichen zum Schichtsystem vordringen lässt. Damit können Richtung und Stärke der Austauschverschiebung (engl.: Exchange Bias – EB) lokal beschränkt beeinflusst werden und es entstehen, in Remanenz stabile, magnetische Muster. Nach Entfernen der Resistmaske ist die Probe ohne topographische Kontraste. Bisher konnten mit dieser Methode Strukturen bis zu einer minimalen Größen von 500nm nachgewiesen werden. Diese Methode und zwei Anwendungsmöglichkeiten der IBMP werden in dieser Arbeit dargelegt: Die Interpretation von Magnetkraftmikroskopieaufnahmen im externen Magnetfeld erweist sich als problematisch, wenn die Richtung des äußeren Magnetfeldes senkrecht zum magnetischen Moment der MFM-Spitze steht und dieses unvermeidlich auch beeinflusst. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Tauglichkeit von topographisch flachen magnetischen Strukturen als Kalibrierproben für Magnetkraftmikroskopiesonden nachgewiesen. Die Magnetisierung solcher Proben ist in gewissem Rahmen unabhängig vom externen Magnetfeld. Daraus folgt, dass Veränderungen der magnetkraftmikroskopischen Aufnahmen in diesem Feldbereich allein auf Modifikationen des Magnetisierungszustandes der Spitze zurückzuführen sind. Anhand eines Modells nach sollen die Streufelder über der Probe modelliert und eine Quantifizierung dieser Einflüsse ermöglicht werden. Im Weiteren wird die gezielte Beeinflussung superparamagnetischer Nano- und Mikropartikel durch die künstlichen Streufelder über den Proben gezeigt. Dabei lag das Augenmerk zum Einen auf der gezielten Positionierung der Kolloide durch geeignete Wahl der künstlichen Domänenmuster und zum Anderen auf der ferngesteuerten Bewegung mittels geschickter Kombination eines externen Magnetfeldgradienten zusätzlich zu den magnetischen Streufeldern der Probe. Ein großes Hemmnis bei ähnlichen Anwendungen mit stromdurchflossenen Leiterbahnen sind die Erwärmung der Probe sowie die Zerstörung der Strukturen durch Elektromigration. Diese Erschwernisse können mit den in der vorliegenden Arbeit genutzten künstlichen magnetischen Strukturen, die sich durch externe Magnetfelder abschalten lassen und in Remanenz wieder erscheinen, elegant umgangen werden.

Domänenwandwiderstandseffekt in künstlich erstellten Domänenwänden nach Ionenbeschuss von magnetischen Zweischichtsystemen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magnetische Zweischichtsysteme mit Exchange-Bias-Effekt und künstlichen lateralen Domänenstrukturen auf den Domänenwandwiderstand (DWR) untersucht. Die Erzeugung dieser Domänenmuster erfolgte über Ion Bombardment induced Magnetic Patterning (IBMP), d.h. 10 keV Helium-Ionenbeschuss durch Schattenmasken auf der Probenoberfläche. Mithilfe eines externen Magnetfelds können anschließend die Domänenwände gezielt ein- und ausgeschaltet werden. Zur Untersuchung des DWR-Effekts müssen einige physikalische Voraussetzungen erfüllt sein, wodurch die Herstellung und Charakterisierung entsprechender magnetischer Domänenstrukturen eine der Hauptaufgaben war. Die folgenden Themen werden in dieser Arbeit im Einzelnen behandelt: • Anwendung verschiedener Lithographie-Verfahren zur Erzeugung von Schattenmasken: Für die Verkleinerung der magnetischen Strukturen bis in den Sub-µm-Bereich waren neue Verfahren notwendig. Hierfür wurden die Interferenz- und die NanoImprint-Lithographie eingesetzt. Außerdem wurden Metallnetzchen als Schattenmasken für den Ionenbeschuss genutzt. • Charakterisierung der künstlichen Domänenmuster: Identifikation des Domänenwandtyps anhand von MFM-Messungen unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen und Validierung der Ergebnisse mithilfe von PEEM-Messungen. Untersuchung der Domänenmuster auf die Domänenbreite und Domänenwandbreite in Abhängigkeit der verwendeten Strukturgrößen, Geometrien und Materialien. Magnetische Strukturierung von Exchange-Bias-Proben mit einem nicht-metallischen Antiferromagneten. • Domänenwandwiderstand: Untersuchung des DWR-Effekts in metallischen Exchange-Bias-Proben bei Raumtemperatur sowohl über viele als auch über einzelne Domänenwände sowie temperaturabhängig unterhalb der Raumtemperatur. Untersuchung des DWR-Effekts in oxidischen Zweilagenschichtsystemen bei Raumtemperatur über viele sowie über einzelne Domänenwände. Die Untersuchungen erfolgten mit Vibrationsmagnetometrie (VSM) und magnetooptischem Kerr-Effekt (MOKE), Rasterkraft-/Magnetokraft- und Rasterelektronenmikroskopie (AFM, MFM, REM), Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) und Magnetotransportmessungen.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

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.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Long-term variations in the open solar flux and possible links to Earth’s climate

Recent paleoclimate studies provide strong evidence for an association between cosmogenic isotope production and Earth’s climate throughout the holecene. These isotopes are generated by the bombardment of Earth’s atmosphere by galactic cosmic rays, the fluxes of which vary in approximately inverse proportion to the total open magnetic flux of the Sun. This paper discusses how results from the Ulysses spacecraft allow us to quantify the open solar flux from observations of near-Earth interplanetary space and to study its long-term variations using the homogeneous record of geomagnetic activity. A study of the results and of their accuracy is presented. The two proposed mechanisms that could lead to the open solar flux being a good proxy for solar-induced climate change are discussed: the first is the modulation of the production of some types of cloud by the air ions produced by cosmic rays; the second is a variation in the total or spectral solar irradiance, in association with changes in the open flux. Some implications for our understanding of anthropogenic climate change are discussed.