Origin of the spin Seebeck effect

Der Spin Seebeck Effekt repräsentiert einen neuartigen Spin kalorischen Effekt mit vorteilhaften und aussichtsreichen Eigenschaften für Anwendungen in den Gebieten der Spintronik und Thermoelektrik.rnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine umfangreiche Untersuchung des Spin Seebeck Effekts in isolierenden, magnetischen Granaten und geben Antworten zum kontrovers diskutierten Ursprung des Effekts. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die Abhängigkeit des Spin Seebeck Effekts von der Dicke des Ferromagneten, der Temperatur, der Stärke des magnetisches Feldes, der Grenzflächen und des Detektormaterials, sowie Kombinationen dieser Parameter gemessen. Im Zuge dessen haben wir das Wachstum der untersuchten magnetischen Granate optimiert und eine umfassende Analyse der strukturellen und magnetischen Parameter durchgeführt, um Einflüsse der Probenqualität auszuschließen. Des Weiteren zeigte eine Untersuchung des magnetoresistiven Effekts, welcher als mögliche Ursache des Effekts galt, in Kombination mit einer Studie des Messaufbaus, dass parasitäre Einflüsse auf das Messergebnis ausgeschlossen werden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Spin Seebeck Effekt mit zunehmender Dicke des Ferromagneten eine Sättigung des Signals aufweist. Diese hängt zudem von der Temperatur ab, da mit abnehmender Temperatur die Sättigung erst bei dickeren Filmen auftritt. Außerdem fanden unsere Messungen ein Maximum des Spin Seebeck Effekts für Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, welcher sowohl von der Dicke des Materials als auch der Magnetfeldstärke und dem Detektormaterial beeinflusst wird. In Messungen bei hohen magnetischen Feldstärken beobachteten wir eine Unterdrückung des Messsignals, dessen Ursache mithilfe von Simulationen auf den magnonischen Ursprung des Spin Seebeck Effekts zurückgeführt werden kann. Dies unterstreicht, dass der Effekt auf vom Ferromagneten emittierten Magnonen basiert. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit präsentieren wir Messungen in einem bislang nicht untersuchten ferrimagnetischen Material, welche zwei Vorzeichenwechsel des Spin Seebeck Effekts als Funktion der Temperatur aufzeigen. Dieses bisher unbekannte Signalverhalten betont, dass der Effekt aus einem komplexen Zusammenspiel der magnonischen Moden resultiert und zusätzlich vom Detektormaterial abhängt.rnSomit tragen unsere Ergebnisse und Beobachtungen im hohen Maße zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprungs des Spin Seebeck Effekts bei und zeigen neuartige bisher nicht beobachtete Effekte, welche ein neues Kapitel für das Gebiet der Spin Kaloritronik eröffnen.

Spin polarized transport in manganese oxide double-perovskite thin films

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung von metallischen gemischtvalenten Manganaten und magnetischen Doppelperowskiten. Aufgrund ihres großen negativen Magnetowiderstandes (MW) sind diese halbmetallischen Oxide interessant für mögliche technische Anwendungen, z.B. als Leseköpfe in Festplatten. Es wurden die kristallographischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von epitaktischen Dünnschichten und polykristallinen Pulverproben bestimmt.Epitaktische Dünnschichten der Verbindungen La_0.67Ca_0.33MnO₃ und La_0.67Sr_0.33MnO₃ wurdenmit Kaltkathodenzerstäubung und Laserablation auf einkristallinen Substraten wie SrTiO₃abgeschieden. Mit Hall-Effekt Messungen wurde ein Zusammenbruch der Ladungsträgerdichte bei der Curie-Temperatur T_C beobachtet.Mit dem Wechsel des Dotierungsatoms A von Ca (T_C=232 K) zu Sr (T_C=345 K)in La_0.67A_0.33MnO₃ konnte die Feldsensitivität des Widerstandes bei Raumtemperatur gesteigert werden. Um die Sensitivität weiter zu erhöhen wurde die hohe Spinpolarisation von nahezu 100% in Tunnelexperimenten ausgenutzt. Dazu wurden biepitaktische La_0.67Ca_0.33MnO₃ Schichten auf SrTiO₃ Bikristallsubstraten hergestellt. Die Abhängigkeit des Tunnelmagnetowiderstandes (TMW) vom magnetischen Feld, Temperatur und Strum war ein Schwerpunkt der Untersuchung. Mittels spinpolarisierten Tunnelns durch die künstliche Korngrenze konnte ein hysteretischer TMW von 70% bei 4 K in kleinen Magnetfeldern von 120 Oe gemessen werden. Eine weitere magnetische Oxidverbindung, der Doppelperowskit Sr₂FeMoO₆ miteine Curie-Temperatur oberhalb 400 K und einem großen MW wurde mittels Laserablation hergestellt. Die Proben zeigten erstmals das Sättigunsmoment, welches von einer idealen ferrimagnetischen Anordnung der Fe und Mo Ionen erwartet wird. Mit Hilfe von Magnetotransportmessungen und Röntgendiffraktometrie konnte eine Abhängigkeit zwischen Kristallstruktur (Ordnung oder Unordnung im Fe, Mo Untergitter) und elektronischem Transport (metallisch oder halbleitend) aufgedeckt werden.Eine zweiter Doppelperowskit Ca₂FeReO₆ wurde im Detail als Pulverprobe untersucht. Diese Verbindung besitzt die höchste Curie-Temperatur von 540 K, die bis jetzt in magnetischen Perowskiten gefunden wurde. Mit Neutronenstreuung wurde eine verzerrte monoklinische Struktur und eine Phasenseparation aufgedeckt.

Magnetische Multischalenpartikel für den Transport von siRNA

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines nichtviralen, effizienten Transfektionsmittels mit einer Kern-Schale-Struktur in der Größenordnung bis 100 nm. Dafür werden magnetische, negativ geladene Eisenoxid-Nanopartikel mittels Thermolyse mit einem Durchmesser von 17 nm synthetisiert und in Wasser überführt. Diese Nanopartikel bilden den Kern des Erbgut-Trägers und werden mittels Layer-by-Layer –Verfahren (LbL) mit geladenen Polymeren, den bioabbaubaren Makromolekülen Poly-L-Lysin und Heparin, beschichtet. Dafür wird zunächst eine geeignete Apparatur aufgebaut. Diese wird zur Herstellung von Kern-Schale-Strukturen mit fünf Polyelektrolytschichten verwendet und liefert Partikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 58 nm, die bei Abwesenheit von niedermolekularem Salz aggregatfrei sind. Das System wird gegen Salz stabilisiert, indem die letzte Poly-L-Lysin-Schicht mit Polyethylenglycol modifiziert wird. Die so entstandenen Multischalenpartikel zeigen weder im PBS-Puffer noch in humanem Serum Aggregation. Mittels winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung wird die Aggregatbildung kontrolliert, während ζ-Potential-Messungen die Kontrolle der Oberflächenladung erlauben.rnDa siRNA auf Grund ihres negativ geladenen Phosphat-Rückgrats ebenfalls ein Polyelektrolyt ist, wird sie aggregatfrei auf die positiv geladenen PLL-Nanopartikel aufgetragen. Die eingesetzte siRNA ist farbstoffmarkiert, um eine Detektion in vitro zu ermöglichen. Jedoch sind die entstandenen Komplexe mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie (FCS) nicht nachweisbar. Auch die Fluoreszenzmarkierung der PEGylierten Außenschale mittels kupferfreier Click-Chemie ist in der FCS nicht sichtbar, sodass eine Fluoreszenzauslöschung der Farbstoffe in den Multischalenpartikeln vermutet wird.rn

Infrared and infrared emission spectroscopy of gallium oxide α-GaO(OH) nanostructures

Infrared spectroscopy has been used to study nano to micro sized gallium oxyhydroxide α-GaO(OH), prepared using a low temperature hydrothermal route. Rod-like α-GaO(OH) crystals with average length of ~2.5 μm and width of 1.5 μm were prepared when the initial molar ratio of Ga to OH was 1:3. β-Ga2O3 nano and micro-rods were prepared through the calcination of α-GaO(OH) The initial morphology of α-GaO(OH) is retained in the β-Ga2O3 nanorods. The combination of infrared and infrared emission spectroscopy complimented with dynamic thermal analysis were used to characterise the α-GaO(OH) nanotubes and the formation of β-Ga2O3 nanorods. Bands at around 2903 and 2836 cm-1 are assigned to the -OH stretching vibration of α-GaO(OH) nanorods. Infrared bands at around 952 and 1026 cm-1 are assigned to the Ga-OH deformation modes of α-GaO(OH). A significant number of bands are observed in the 620 to 725 cm-1 region and are assigned to GaO stretching vibrations.

High-performance ceramic membranes with a separation layer of metal oxide nanofibers

In conventional fabrication of ceramic separation membranes, the particulate sols are applied onto porous supports. Major structural deficiencies under this approach are pin-holes and cracks, and the dramatic losses of flux when pore sizes are reduced to enhance selectivity. We have overcome these structural deficiencies by constructing hierarchically structured separation layer on a porous substrate using lager titanate nanofibers and smaller boehmite nanofibers. This yields a radical change in membrane texture. The resulting membranes effectively filter out species larger than 60 nm at flow rates orders of magnitude greater than conventional membranes. This reveals a new direction in membrane fabrication.

Ceramic membranes for separation of proteins and DNA by in situ growth of alumina nanofibres with a nanomesh of metal oxide nanofibres

Ceramic membranes were fabricated by in situ synthesis of alumina nanofibres in the pores of an alumina support as a separation layer, and exhibited a high permeation selectivity for bovine serum albumin relative to bovine hemoglobin (over 60 times) and can effectively retain DNA molecules at high fluxes.

High-flux ceramic membranes with a nanomesh of metal oxide nanofibers

Traditional ceramic separation membranes, which are fabricated by applying colloidal suspensions of metal hydroxides to porous supports, tend to suffer from pinholes and cracks that seriously affect their quality. Other intrinsic problems for these membranes include dramatic losses of flux when the pore sizes are reduced to enhance selectivity and dead-end pores that make no contribution to filtration. In this work, we propose a new strategy for addressing these problems by constructing a hierarchically structured separation layer on a porous substrate using large titanate nanofibers and smaller boehmite nanofibers. The nanofibers are able to divide large voids into smaller ones without forming dead-end pores and with the minimum reduction of the total void volume. The separation layer of nanofibers has a porosity of over 70% of its volume, whereas the separation layer in conventional ceramic membranes has a porosity below 36% and inevitably includes dead-end pores that make no contribution to the flux. This radical change in membrane texture greatly enhances membrane performance. The resulting membranes were able to filter out 95.3% of 60-nm particles from a 0.01 wt % latex while maintaining a relatively high flux of between 800 and 1000 L/m2·h, under a low driving pressure (20 kPa). Such flow rates are orders of magnitude greater than those of conventional membranes with equal selectivity. Moreover, the flux was stable at approximately 800 L/m2·h with a selectivity of more than 95%, even after six repeated runs of filtration and calcination. Use of different supports, either porous glass or porous alumina, had no substantial effect on the performance of the membranes; thus, it is possible to construct the membranes from a variety of supports without compromising functionality. The Darcy equation satisfactorily describes the correlation between the filtration flux and the structural parameters of the new membranes. The assembly of nanofiber meshes to combine high flux with excellent selectivity is an exciting new direction in membrane fabrication.

Synthesis and characterisation of cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide and cobalt oxide nanodiscs

Cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide and cobalt oxide nanomaterials were synthesized through simple soft chemistry. The cobalt hydroxide displays hexagonal morphology with clear edges 20 nm long. This morphology and nanosize is retained through to cobalt oxide Co3O4 through a topotactical relationship. Cobalt oxyhydroxide and cobalt oxide nanomaterials were synthesized through oxidation and low temperature calcination from the as-prepared cobalt hydroxide. Characterisation of these cobalt-based nanomaterials were fully developed, including X-ray diffraction, transmission electron microscopy combined with selected area electron diffraction, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, and thermal gravimetric analysis. Bonding of the divalent cobalt hydroxide from the oxyhydroxide and oxides by studying their high resolution XPS spectra for Co 2p3/2 and O 1s. Raman spectroscopy of the as-prepared Co(OH)2, CoO(OH) and Co3O4 nanomaterials characterised each material. The thermal stability of the materials Co(OH)2 and CoO(OH) were established. This research has developed methodology for the synthesis of cobalt oxide and cobalt oxyhydroxide nanodiscs at low temperatures.

Metal oxide nanofibres membranes assembled by spin-coating method

Ceramic membranes are of particular interest in many industrial processes due to their ability to function under extreme conditions while maintaining their chemical and thermal stability. Major structural deficiencies under conventional fabrication approach are pin-holes and cracks, and the dramatic losses of flux when pore sizes are reduced to enhance selectivity. We overcome these structural deficiencies by constructing hierarchically structured separation layer on a porous substrate using larger titanate nanofibres and smaller boehmite nanofibres. This yields a radical change in membrane texture. The differences in the porous supports have no substantial influences on the texture of resulting membranes. The membranes with top layer of nanofibres coated on different porous supports by spin-coating method have similar size of the filtration pores, which is in a range of 10–100 nm. These membranes are able to effectively filter out species larger than 60 nm at flow rates orders of magnitude greater than conventional membranes. The retention can attain more than 95%, while maintaining a high flux rate about 900 L m-2 h. The calcination after spin-coating creates solid linkages between the fibres and between fibres and substrate, in addition to convert boehmite into -alumina nanofibres. This reveals a new direction in membrane fabrication.

Microstructural characterization of electron beam evaporated tungsten oxide films for gas sensing applications

Tungsten trioxide is one of the potential semiconducting materials used for sensing NH3, CO, CH4 and acetaldehyde gases. The current research aims at development, microstructural characterization and gas sensing properties of thin films of Tungsten trioxide (WO3). In this paper, we intend to present the microstructural characterization of these films as a function of post annealing heat treatment. Microstructural and elemental analysis of electron beam evaporated WO3 thin films and iron doped WO3 films (WO3:Fe) have been carried out using analytical techniques such as Transmission electron microscopy, Rutherford Backscattered Spectroscopy and XPS analysis. TEM analysis revealed that annealing at 300oC for 1 hour improves cyrstallinity of WO3 film. Both WO3 and WO3:Fe films had uniform thickness and the values corresponded to those measured during deposition. RBS results show a fairly high concentration of oxygen at the film surface as well as in the bulk for both films, which might be due to adsorption of oxygen from atmosphere or lattice oxygen vacancy inherent in WO3 structure. XPS results indicate that tungsten exists in 4d electronic state on the surface but at a depth of 10 nm, both 4d and 4f electronic states were observed. Atomic force microscopy reveals nanosize particles and porous structure of the film. This study shows e-beam evaporation technique produces nanoaparticles and porous WO3 films suitable for gas sensing applications and doping with iron decreases the porosity and particle size which can help improve the gas selectivity.