Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden ab initio Berechnungen des Restwiderstandes von metallischen Nanostrukturen vorgestellt. Die elektronische Struktur der idealen Systeme wird mit Hilfe einer Screened KKR Greenschen Funktionsmethode im Rahmen der Vielfachstreutheorie auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Die Potentiale von Punktdefekten werden selbstkonsistent mit Hilfe einer Dyson-Gleichung für die Greensche Funktion des gestörten Systems berechnet. Unter Nutzung der ab initio Ubergangswahrscheinlichkeiten wird der Restwiderstand durch Lösung der quasi-klassischen Boltzmann-Gleichung bestimmt. Ergebnisse für ultradünne Cu-Filme und die Leitfähigkeitsanomalie während des Wachstums von Co/Cu-Vielfachschichten werden vorgestellt. Der Einfluss von Oberflächen, geordneten und ungeordneten Grenzflächenlegierungen und von Defekten an verschiedenen Positionen in der Vielfachschicht auf den Effekt des Giant Magnetoresistance wird untersucht. Die selbstkonsistente Berechnung der Streueigenschaften und die verbesserte Lösung der Boltzmann-Transportgleichung unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen stellen ein leistungsfähiges Werkzeug zur umfassenden theoretischen Beschreibung dar. Sie verhelfen zu nützlichen Einsichten in die mikroskopischen Prozesse, die die Transporteigenschaften von nanostrukturierten Materialen bestimmen. / A powerful formalism for the calculation of the residual resistivity of metallic nanostructured materials without adjustable parameters is presented. The electronic structure of the unperturbed system is calculated using a screended KKR multiple scattering Green's function formalism in the framework of density functional theory. The scattering potential of point defects is calculated self-consistently by solving a Dyson equation for the Green's function of the perturbed system. Using the ab initio scattering probabilities the residual resistivity was calculated solving the quasiclassical Boltzmann equation. Examples are given for the resistivity of ultrathin Cu films and the conductance anomaly during the growth of a Co/Cu multilayer. Furthermore, the influence of surfaces, ordered and disordered interface alloys and defects at different positions in the multilayer on the effect of Giant Magnetoresistance is investigated. The self-consistent calculation of the scattering properties and the improved treatment of the Boltzmann transport equation including vertex corrections provide a powerful tool for a comprehensive theoretical description and a helpful insight into the microscopic processes determining the transport properties of magnetic nanostructured materials.

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Dans cette thèse, nous présentons la conception et les performances de capteurs magnétiques basés sur les technologies AMR et GMR en vue d'une utilisation dans la navigation. Afin d'obtenir une sensibilité et une linéarité optimales à champ nul, le design des capteurs utilise des barberpoles et un pont de wheatstone pour l'un et prend avantage des différentes anisotropies et couplages pour l'autre. Les capteurs sont fabriqués par pulvérisations cathodiques et photolithographies et leurs performances en terme de sensibilité, de linéarité et de bruit sont testées et comparées. La conception de gradiomètres nécessaires à la navigation magnéto-inertielle repose sur l'utilisation de magnétorésistances placées aux extrémités du capteur reliées par un pont de WheatStone dont la sortie est proportionnelle au gradient du champ magnétique. Des concentrateurs de Flux destinés à amplifier le champ afin d'améliorer la sensibilité sont conçus et testés sur les capteurs. Un concentrateur de flux destiné à amplifier un champ ayant la forme du gradient est proposé comme amélioration des gradiomètres. Des solutions innovantes pour le swithching d'anisotropie et la compensation d'offset utilisant l'effet Hall de spin et le couplage spin-transfer sont étudiées. Dans cette optique, un dispositif de mesure du couplage spin-transfer appelé spin-torque-bridge est conçu et utilisé pour étudier l'effet Hall de spin et le spin transfer dans différentes multi-couches. / In this work, we present the conception and the performances of AMR and GMR-based sensors for navigation applications In order to obtain the best sensitivity and linearity at zero field, the design include barberpoles and a Wheatstone bridge for the first and takes advantage of the different anisotropies and coupling for the other. The sensor are fabricated by magnetron sputtering and photolithography and their performances in terms of sensitivity, linearity and noise are compared. The concept of gradiometers used for magneto-inertial navigation is based on the utilisation of magnetoresistances placed at each extremity of the sensor connected by a wheatstone bridge whose output is proportional to the gradient of the magnetic field. Flux concentrators designed to amplify the incoming field in order to improve the sensitivity are fabricated and tested on the sensors. A flux concentrator designed to amplify a magnetic gradient is proposed as an improvement of the gradiometers. Innovant solutions for low consumption anisotropy switching and offset compensation are being experimented using spin Hall effect and spin transfer torque with adjacent Pt and AuW layers. In that regard a spin torque measurement device: the spin-torque-bridge, is designed and used to study the spin hall effect and the spin transfer couplings in different multi layers.

This thesis is divided into three main sections that deal with optical and magnetic thin films properties and their measurements techniques. Principles of the spectroscopic reflectometry and measurements of optical properties are described in the first part. Results of imaging reflectometry are most important. This technique is based on in situ monitoring of optical properties of SiO2 thin films during etching over the area cca 10 × 13 mm2. In next section magnetic properties of thin films and new apparatus built on the Institute of Physical Engineering of BUT are shown. Magnetic properties were observed by longitudinal magneto-optical Kerr effect. The construction of the device is based on a light beam with rectilinear polarization reflected from magnetic material with turned polarization. For investigation of local magnetic properties of microstructures a microscope objective focusing laser beam on the sample is used. The last part of the thesis is aimed on improving of a spin valve structure Co/Cu/NiFe. This work was done within the frame of the Erasmus project in Laboratoire Louis Néel in Grenoble. The goal was to achieve the value of GMR (Giant Magnetoresistance) as high as possible by changing of deposition parameters. This value describes the rate of resistances in different mutual directions of magnetization in trilayers.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden ab initio Berechnungen des Restwiderstandes von metallischen Nanostrukturen vorgestellt. Die elektronische Struktur der idealen Systeme wird mit Hilfe einer Screened KKR Greenschen Funktionsmethode im Rahmen der Vielfachstreutheorie auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Die Potentiale von Punktdefekten werden selbstkonsistent mit Hilfe einer Dyson-Gleichung für die Greensche Funktion des gestörten Systems berechnet. Unter Nutzung der ab initio Ubergangswahrscheinlichkeiten wird der Restwiderstand durch Lösung der quasi-klassischen Boltzmann-Gleichung bestimmt. Ergebnisse für ultradünne Cu-Filme und die Leitfähigkeitsanomalie während des Wachstums von Co/Cu-Vielfachschichten werden vorgestellt. Der Einfluss von Oberflächen, geordneten und ungeordneten Grenzflächenlegierungen und von Defekten an verschiedenen Positionen in der Vielfachschicht auf den Effekt des Giant Magnetoresistance wird untersucht. Die selbstkonsistente Berechnung der Streueigenschaften und die verbesserte Lösung der Boltzmann-Transportgleichung unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen stellen ein leistungsfähiges Werkzeug zur umfassenden theoretischen Beschreibung dar. Sie verhelfen zu nützlichen Einsichten in die mikroskopischen Prozesse, die die Transporteigenschaften von nanostrukturierten Materialen bestimmen. / A powerful formalism for the calculation of the residual resistivity of metallic nanostructured materials without adjustable parameters is presented. The electronic structure of the unperturbed system is calculated using a screended KKR multiple scattering Green's function formalism in the framework of density functional theory. The scattering potential of point defects is calculated self-consistently by solving a Dyson equation for the Green's function of the perturbed system. Using the ab initio scattering probabilities the residual resistivity was calculated solving the quasiclassical Boltzmann equation. Examples are given for the resistivity of ultrathin Cu films and the conductance anomaly during the growth of a Co/Cu multilayer. Furthermore, the influence of surfaces, ordered and disordered interface alloys and defects at different positions in the multilayer on the effect of Giant Magnetoresistance is investigated. The self-consistent calculation of the scattering properties and the improved treatment of the Boltzmann transport equation including vertex corrections provide a powerful tool for a comprehensive theoretical description and a helpful insight into the microscopic processes determining the transport properties of magnetic nanostructured materials.

[pt] Os procedimentos atuais de localização de corpos estranhos ferromagnéticos utilizados na prática clínica envolvem as técnicas de imageamento de radioscopia e radiografia, que apresentam diversas limitações e riscos. Assim, técnicas de localização baseadas em magnetômetros como SQUID, GMI e GMR têm sido desenvolvidas, com variados graus de complexidade e sucesso. Uma das principais dificuldades de ordem prática, além do custo e das dimensões do sistema de medição no caso do SQUID, que opera a temperaturas criogênicas, é a necessidade de o paciente estar posicionado em uma estrutura móvel de grandes dimensões que permita a determinação das coordenadas da posição bidimensional do mapeamento magnético. Por outro lado, as pequenas dimensões dos sensores GMR ou GMI possibilitam o desenvolvimento de um sistema de medição portátil que poderia integrar outros sensores que em conjunto viabilizem a determinação da posição espacial do sensor magnético em relação ao paciente. Esta dissertação de mestrado investiga técnicas de determinação da posição espacial de um dispositivo portátil, baseado em uma plataforma Raspberry Pi, integrando sensor GMR, câmera, sensores inerciais e um sensor de distância, visando ao futuro desenvolvimento de um protótipo de dispositivo médico portátil para localização de corpos estranhos ferromagnéticos. A pesquisa também investiga técnicas de resolução do problema inverso magnético em tempo real baseadas em filtros de Kalman e ajuste por mínimos quadrados, de modo a acelerar o procedimento diagnóstico na futura aplicação clínica do dispositivo. / [en] The current procedures for locating ferromagnetic foreign bodies used in the clinic involve radioscopy and radiography image techniques, which presents several limitations and risks. Thus, localization techniques based on magnetometers were developed as SQUID, GMI and GMR, with varying degrees of complexity and success. One of the main difficulties, in addition to the cost and dimensions of the system, in the case of the SQUID, which operates at cryogenic temperatures, is the need for the patient to be positioned in a large structure that allows flexibility in the configurations of the two-dimensional position of the magnetic mapping. On the other hand, the small dimensions of the GMR or GMI sensors allow the development of a portable measurement system that could integrate other sensors that together make it possible to determine the spatial position of the magnetic sensor in relation to the patient. This master s dissertation investigates techniques for determining the spatial position of a portable device, based on a Raspberry Pi platform, integrating GMR sensor, camera, inertial sensors and a distance sensor, aiming at the future development of a prototype of a portable medical device for localization of ferromagnetic foreign bodies. The research also investigates real-time inverse magnetic problem solving techniques based on Kalman filters and least squares adjustment, in order to accelerate the diagnostic procedure in the future clinical application of the device.

Dans l'ère actuelle de l'informatique la quantité d'informations à stocker a connu un essor considérable. Dans ce contexte l'évolution des mémoires a été importante, tant pour les mémoires vives que pour les enregistreurs magnétiques sur bande. Ainsi le travail proposé vise à améliorer ces deux types de dispositifs. Une première partie traite de la modélisation et de la conception d'une tête de lecture pour enregistreur sur bande magnétique. Pour cela un nouveau type de design 'yoke' a été mis en avant couplé à l'utilisation d'un matériau à magnétorésistance géante. Dans un deuxième temps, nous avons mené une réflexion sur les diverses approches pour modéliser le processus d'écriture dans le cas d'une mémoire vive magnétique à accès aléatoire (MRAM). Ceci nous a ensuite conduit à étudier le phénomène de diaphonie lorsque la densité de la mémoire augmente.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale du phénomène de transfert de spin. Ce mécanisme, introduit théoriquement en 1996 par J. Slonczewski, permet d'orienter l'aimantation d'un matériau ferromagnétique sans champ appliqué, mais seulement par injection d'un courant polarisé en spin et transfert de spin vers le matériau considéré. Les fortes densités de courant à injecter pour observer l'effet, de l'ordre de 107 A.cm-2, imposent le recours à des nanostructures. Nous avons suivi deux voies pour caractériser cet effet nouveau de transfert de spin depuis un courant vers une aimantation. D'une part, à l'instar des tout premiers résultats expérimentaux obtenus à Cornell University en 2000, nous avons étudié cet effet dans des piliers magnétiques submicroniques de Co/Cu/Co. Nous avons pu clairement mettre en évidence le renversement d'aimantation par un courant polarisé en spin a champ nul. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la dépendance en champ des courants critiques. Cette étude approfondie nous a permis de tracer le diagramme de phase champ-courant, nous fournissant des informations importantes quant aux mécanismes microscopiques à l'origine du phénomène de renversement d'aimantation par injection de spin. La deuxième partie de ma thèse concerne le cas des barreaux de vanne de spin Co/Cu/NiFe dans lesquels la modification d'aimantation est due au déplacement de paroi magnétique induit par transfert de spin à partir d'un courant polarisé en spin. Pour des champs proche de zéro, une paroi magnétique peut être déplacée uniquement sous l'action du courant entre des centres de piégeage et, en accord avec les conclusions du modèle de Berger, le déplacement s'effectue dans des directions opposées pour des courants opposés. La densité de courant critique requise pour déplacer la paroi est de l'ordre de quelques 106 A/cm², un ordre de grandeur plus faible que les courants nécessaires pour entraîner un renversement d'aimantation dans les structures multicouches de type piliers. Ces mesures constituent la première mise en évidence directe et en temps réel de déplacement de parois par transfert de spin dans des nanostructures magnétiques.

Die Messung magnetischer Felder ist in der Sensorik von großem Interesse. Benötigt werden dazu physikalische Effekte, die magnetische Größen in elektrische Größen umsetzen. Ein interessanter Vertreter ist dabei der Riesenmagnetowiderstand (GMR). Systeme, die den GMR zeigen, sind Thema dieser Arbeit. Die untersuchten Systeme lassen sich in zwei Typen einteilen: Multilagen bestehen aus einer großen Zahl (30-40) nominell identischer Doppellagen aus abwechselnd ferromagnetischem und nichtmagnetischem Metall. Diese Systeme zeigen eine Widerstandsänderung mit der Stärke des externen Magnetfeldes. Untersucht wurden Schichten Co/Cu und NiFe/Cu. Es konnten Schichten mit einer Sensitivität von 3.2%/mT präpariert werden. Für den Rückgang der Signalstärke bei erhöhten Temperaturen sind, abhängig von der Cu-Dicke, zwei unterschiedliche Mechanismen verantwortlich. Diese werden diskutiert. Spin Valves bestehen aus Einzellagen unterschiedlicher Materialien (antiferro-, ferro- und paramagnetisch), meist Metalle, die eine Widerstandsänderung mit der Richtung des externen Magnetfeldes zeigen. Untersucht wurden Systeme, die auf NiO, FeMn und IrMn basieren. Die Temperaturabhängigkeit dieser Systeme zeigt Eigenschaften, die für die kommerzielle Nutzung wichtig sein können. Die mikroskopischen Ursachen werden diskutiert. Ein neu entwickeltes, leistungsfähiges Modell kann das sensorische Verhalten dieser Systeme sehr gut nachbilden und erlaubt so einen Einblick in die internen Vorgänge.

An ultra-short echo time (UTE) magnetic resonance imaging (MRI) sequence was used together with other MRI sequences to evaluate the possibility of segmenting air, soft tissues and bone. Three patients were imaged with the UTE sequence and other sequences as well as with computed tomography (CT). An algorithm using Gaussian mixture models was developed and applied to the problem of segmenting the MR images. A similar algorithm was developed and used to generate an artificial CT image from the MR data. The images of the first patient were used as training data for the algorithms and the images of the other two patients were used for validation. It was found that less than 20 percent of the volume inside the head was misclassified and that the root mean square error of the artificial CT image was less than 420 Hounsfield units. Finally a volunteer was imaged in the same way but with an additional UTE sequence with a larger flip angle. The results suggested that the additional image may improve segmentation further. / En sekevens för bildgivande magnetresonans (MRI) med ultrakort ekotid (UTE) användes tillsammans med andra MRI-sekvenser till att utvärdera möjligheten att segmentera luft, mjukvävnad och ben. Bilder togs av tre patienter med UTE-sekvensen och med övriga sekvenser samt med datortomografi (CT). En algoritm baserad på en blanding av normalfördelningar utvecklades och tillämpades på MR-segmenteringsproblemet.En likande algoritm utvecklades och användes till att skapa en konstgjord CT-bild utifrån MR-bilderna.Bilderna tagna av den första patienten användes till att träna algoritmerna medan bilderna av de två andra patienterna användes för validering. Mindre än 20 procent av volymen inuti huvudet felklassificerades och det kvadratiska medelvärdet av avvikelserna i den konstgjorda CT-bilden var mindre än 420 hounsfieldenheter. Slutligen togs bilder av en frivillig på samma sätt men med ytterligare en UTE-sekvens med en större flippvinkel. Resultatet antyder att den nya bilden kan bidra till en förbättrad segmentering.