Understanding the connection of the atomic structure and the physical properties of materials remains one of the elementary questions of condensed-matter physics. One research line in this quest started with the discovery of quasicrystals by Shechtman et al. in 1982. It soon became clear that these materials with their 5-, 8-, 10- or 12-fold rotational symmetries, which are forbidden according to classical crystallography, can be described in terms of mathematical models for nonperiodic tilings of a plane proposed by Penrose and Ammann in the 1970s. Due to the missing translational symmetry of quasicrystals, till today only finite, relatively small systems or periodic approximants have been investigated by means of numerical calculations and theoretical results have mainly been obtained for one-dimensional systems. In this thesis we study d-dimensional quasiperiodic models, so-called labyrinth tilings, with separable Hamiltonians in the tight-binding approach. This method paves the way to study higher-dimensional, quantum mechanical solutions, which can be directly derived from the one-dimensional results. This allows the investigation of very large systems in two and three dimensions with up to 10^10 sites. In particular, we contemplate the class of metallic-mean sequences. Based on this model we focus on the electronic properties of quasicrystals with a special interest on the connection of the spectral and dynamical properties of the Hamiltonian. Hence, we investigate the characteristics of the eigenstates and wave functions and compare these with the wave-packet dynamics in the labyrinth tilings by numerical calculations and by a renormalization group approach in connection with perturbation theory. It turns out that many properties show a qualitatively similar behavior in different dimensions or are even independent of the dimension as e.g. the scaling behavior of the participation numbers and the mean square displacement of a wave packet. Further, we show that the structure of the labyrinth tilings and their transport properties are connected and obtain that certain moments of the spectral dimensions are related to the wave-packet dynamics. Besides this also the photonic properties are studied for one-dimensional quasiperiodic multilayer systems for oblique incidence of light, and we show that the characteristics of the transmission bands are related to the quasiperiodic structure. / Eine der elementaren Fragen der Physik kondensierter Materie beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen der atomaren Struktur und den physikalischen Eigenschaften von Materialien. Eine Forschungslinie in diesem Kontext begann mit der Entdeckung der Quasikristalle durch Shechtman et al. 1982. Es stellte sich bald heraus, dass diese Materialien mit ihren laut der klassischen Kristallographie verbotenen 5-, 8-, 10- oder 12-zähligen Rotationssymmetrien durch mathematische Modelle für die aperiodische Pflasterung der Ebene beschrieben werden können, die durch Penrose und Ammann in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurden. Aufgrund der fehlenden Translationssymmetrie in Quasikristallen sind bis heute nur endliche, relativ kleine Systeme oder periodische Approximanten durch numerische Berechnungen untersucht worden und theoretische Ergebnisse wurden hauptsächlich für eindimensionale Systeme gewonnen. In dieser Arbeit werden d-dimensionale quasiperiodische Modelle, sogenannte Labyrinth-Pflasterungen, mit separablem Hamilton-Operator im Modell starker Bindung betrachtet. Diese Methode erlaubt es, quantenmechanische Lösungen in höheren Dimensionen direkt aus den eindimensionalen Ergebnissen abzuleiten und ermöglicht somit die Untersuchung von sehr großen Systemen in zwei und drei Dimensionen mit bis zu 10^10 Gitterpunkten. Insbesondere betrachten wir dabei quasiperiodische Folgen mit metallischem Schnitt. Basierend auf diesem Modell befassen wir uns im Speziellen mit den elektronischen Eigenschaften der Quasikristalle im Hinblick auf die Verbindung der spektralen und dynamischen Eigenschaften des Hamilton-Operators. Hierfür untersuchen wir die Eigenschaften der Eigenzustände und Wellenfunktionen und vergleichen diese mit der Dynamik von Wellenpaketen in den Labyrinth-Pflasterungen basierend auf numerischen Berechnungen und einem Renormierungsgruppen-Ansatz in Verbindung mit Störungstheorie. Dabei stellt sich heraus, dass viele Eigenschaften wie etwa das Skalenverhalten der Partizipationszahlen und der mittleren quadratischen Abweichung eines Wellenpakets für verschiedene Dimensionen ein qualitativ gleiches Verhalten zeigen oder sogar unabhängig von der Dimension sind. Zudem zeigen wir, dass die Struktur der Labyrinth-Pflasterungen und deren Transporteigenschaften sowie bestimmte Momente der spektralen Dimensionen und die Dynamik der Wellenpakete in Beziehung zueinander stehen. Darüber hinaus werden auch die photonischen Eigenschaften für eindimensionale quasiperiodische Mehrschichtsysteme für beliebige Einfallswinkel untersucht und der Verlauf der Transmissionsbänder mit der quasiperiodischen Struktur in Zusammenhang gebracht.

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Ce projet vise à étudier, par une approche pluridisciplinaire, l’influence des la cristallisation des protéines membranaires (PM) en prenant pour protéine modèle le complexe photosynthétique RC-LH1-pufX de Rhodobacter blasticus. Des cristaux de ce complexe avaient été obtenus en présence de dodécyl-!-maltoside (DDM) et avaient diffractés à 8 Å de résolution. L’objectif final est de pouvoir améliorer, de façon rationnelle, la qualité des cristaux du complexe RC-LH1-pufX grâce à une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu. Dans un premier temps, trois tensioactifs dérivés du DDM ont été conçus et synthétisés. L’intérêt est d’augmenter la rigidité et le caractère lipophobe des parties hydrophobes des tensioactifs par rapport au DDM, pour les rendre moins déstabilisants envers la protéine: soit par l’incorporation d’un groupement bicyclohexyle (PCC-maltoside), soit par l’ajout d’un segment fluoré de longueur modulable (F4H5- et F2H9-maltoside). Nous avons inclus également le F8TAC, tensioactif fluoré utilisé depuis une vingtaine d’années pour le maintien en solution des PM, et les "tripodes", amphiphiles faciaux dont la géométrie particulière n’avaient jamais été testée. Nous avons ensuite réalisé la caractérisation physico-chimique, en solution, de ces tensioactifs et du DDM en terme de CMC (concentration micellaire critique), nombre d’agrégation, taille (par diffusion de la lumière dynamique, DLS), facteur de forme (par diffusion des rayons X aux petits angles, SAXS) et facteur de structure (par mesure du second coefficient du viriel, indicateur du potentiel des tensioactifs à initier la cristallisation)afin de déterminer les caractéristiques importantes au maintien en solution et à la cristallisation des PM. Le PCC-malt présentant le même comportement que le DDM,nous l’avons sélectionné pour réaliser une étude en présence de la protéine.Après avoir mis au point une méthode de dosage des tensioactifs par HPTLC (HighPerformance Thin Layer Chromatography) et identifier les lipides présents dans les de Rhodobacter blasticus, nous avons pu quantifier les quantités de lipides et de tensioactifs associés à la protéine en présence de DDM et de PCC-malt.Enfin, dans une dernière partie, nous avons réalisé des essais de cristallisation du complexe RC-LH1-pufX en présence des tensioactifs sélectionnés pour faire le lien entre les conditions de cristallisation et l’étude physico-chimique des micelles en solution. / Membrane proteins (MPs) are involved in the regulation of various fundamental cellular functions, such as cell recognition, receptor-mediated signal transduction and selective transportation of metabolites. However despite their huge importance, researches in MPs are relatively limited. For example MPs represent approximately 30% of the human proteome and less than 1% of current Protein Data Bank entries. Indeed, the presence of hydrophobic domains in MPs makes them not soluble in water. Therefore surfactants are used to extract MPs from their native environment and substitute for lipids around the transmembrane domain of the protein, forming water-soluble complexes. However MPs are often unstable in surfactant solution because of the intrusion of the alkyl chain of the surfactant into the transmembrane domain and/or the dissociation of stabilizing lipids, cofactors or subunits. Our project aims to study, through a multidisciplinary approach, the influence of surfactants for MP crystallization. Since dodecylmaltoside (DDM) is the most common gentle detergent used for MPs crystallization, we synthesized three new structurally DDM-derivative surfactants whose designs were expected to limit MPs inactivation. The objective was to increase the rigidity and the lipophobic behavior of the hydrophobic moiety by adding a bicyclohexyl group (PCC-maltoside) or using different lengths of fluorinated segments (F4H5- and F2H9-maltoside). Comparison of these surfactants with DDM occurs on:Physico-chemical properties: Surfactants are characterized by their CMC, molar mass (SEC-MALS, SAXS), hydrodynamic size (DLS), form factor (SAXS) and structure factor (A2, indicator of surfactant potential to lead to crystallization) in order to determine their best characteristics for MPs crystallization. Biochemical properties: We chose the RC-LH1-Puf X complex from Rhodobacter blasticus as model protein because of its biological interest. Besides this membrane protein has already been crystallized in DDM giving a low diffraction resolution (8Å). A better understanding of mechanisms involved in crystallization is a prerequisite for the development of rational approaches to increase crystals quality. Therefor protein complexes are characterized by quantifying lipids and surfactants bound to the transmembrane domain. Surfactant and lipid assays are performed by High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC). Crystallization trials: we show the link between crystallization and surfactants physico-chemical properties

The present thesis is about the investigation of ferromagnetic thin film systems with respect to exchange coupling, magnetization reversal behavior and effects appearing in magnetic heterostructures, namely the exchange bias and the giant magnetoresistance effect. For this purpose, DC magnetron sputtered thin films and multilayers with perpendicular magnetic anisotropy were prepared on single crystalline and rigid as well as flexible amorphous substrates. The first part concentrates on magnetic data storage applications based on the combination of the concept of bit patterned media and three dimensional magnetic memory, consisting of at least two exchange decoupled ferromagnetic storage layers. Here, [Co/Pt] multilayers, revealing different magnetic anisotropies, have been applied as storage layers and as spacer material Pt and Ru was employed. By the characterization of the magnetization reversal behavior the exchange coupling in dependence of the spacer layer thickness was studied. Furthermore, with regard to the concept of bit patterned media, the layers were also grown on self-assembled silica particles, leading to an exchange decoupled single-domain magnetic dot array, which was studied by magnetic force microscope imaging and angular dependent magneto-optic Kerr effect magnetometry to evaluate the reversal mechanism and its dependence on the array dimensions, mainly the diameter of the silica particles and layer thicknesses. To complete the study, micromagnetic simulations were performed to access smaller dimensions and to investigate the dependence of intralayer as well as interlayer coupling on the magnetization reversal of the dot array with multiple storage layers. The second part focuses on the investigation of the giant magnetoresistance effect in systems with perpendicular magnetic anisotropy, where L10 -chemically ordered FePt alloys and [Co/Pt] as well as [Co/Pd] multilayers were utilized. In case of FePt, where high temperatures during the deposition are necessary to induce the chemical ordering, diffusion and alloying of the spacer material often prevent a sufficient exchange decoupling of the ferromagnetic layers. However, with Ru as spacer material a giant magnetoresistance effect could be achieved. Large improvements of the magnetoresistive behavior of such trilayer structures are presented for [Co/Pt] and [Co/Pd] multilayers, which can be deposited at room temperature not limiting the choice of spacer as well as substrate material. Furthermore, in systems consisting of one ferromagnet with perpendicular magnetic anisotropy and one ferromagnet with in-plane magnetic easy axis, a linear and almost hysteresis-free field dependence of the electrical resistance was observed and the behavior for various thickness series has been intensively studied. Finally, the corrosion resistance in dependence of the capping layer material as well as the magnetoresistance of a strained flexible pseudo-spin-valve structure is presented. In addition, in chapter 2.5.2 an experimental study of an improved crystal growth of FePt at comparable low temperatures by molecular beam epitaxy and further promoted by a surfactant mediated growth using Sb is shown. Auger electron spectroscopy as well as Rutherford backscattering spectrometry were carried out to confirm the surface segregation of Sb and magnetic characterization revealed an increase of magnetic anisotropy in comparison to reference layers without Sb. / Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung ferromagnetischer Dünnschichtsysteme im Hinblick auf die Austauchkopplung, das Ummagnetisierungsverhalten und Effekte wie z.B. den Exchange Bias Effekt oder den Riesenmagnetwiderstandseffekt (GMR), welche in derartigen Heterostrukturen auftreten können. Die Probenpräparation erfolgte mittels DC Magnetronsputtern, wobei auf einkristallinen aber auch flexiblen sowie starren amorphen Substraten abgeschieden wurde. Im ersten Teil der Arbeit werden Untersuchungen mit dem Hintergrund einer Anwendung als magnetischer Datenträger vorgestellt. Konkret werden hier die Konzepte Bit Patterned Media (BPM) und 3D Speicher miteinander kombiniert. Letzteres Konzept basiert auf der Verwendung wenigstens zweier austauschentkoppelter ferromagnetischer Schichten, für welche [Co/Pt] Multilagen mit unterschiedlicher magnetischer Anisotropie verwendet wurden. Als Zwischenschichtmaterial diente Pt und Ru. Durch die Charakterisierung des Ummagnetisierungsverhaltens wurde die Austauschkopplung in Abhängigkeit der Zwischenschichtdicke untersucht. Darüber hinaus wurden jene Schichtstapel zur Realisierung des BPM-Konzeptes auf selbstangeordnete SiO2 Partikel mit unterschiedlichen Durchmessern aufgebracht, durch welche sich lateral austauschentkoppelte, eindomänige magnetische Nanostrukturen erzeugen lassen. Zur Untersuchung des Ummagnetisierungsverhaltens und der jeweiligen Größenabhängigkeiten (maßgeblich Durchmesser und Schichtdicke) wurden diese mittels Magnetkraftmikroskopie sowie winkelabhängiger magnetooptischer Kerr Effekt Magnetometrie untersucht. Zur weiteren Vertiefung des Verständnisses noch kleinerer Strukturgrößen erfolgten mikromagnetische Simulationen, bei denen die magnetischen Wechselwirkungen lateral (benachbarte 3D Elemente) als auch vertikal (Wechselwirkungen ferromagnetischer Schichten innerhalb eines 3D Elementes) im Interesse standen, sowie deren Auswirkungen auf das Ummagnetisierungsverhalten des gesamten Feldes. Der Fokus des zweiten Teils liegt auf der Untersuchung des Riesenmagnetwiderstandseffektes in Systemen mit senkrechter Sensitivität. Dafür sind ferromagnetische Schichten mit senkrechter magnetischer Anisotropie nötig, wobei hier die chemisch geordnete L10-Phase der FePt Legierung und [Co/Pt] sowie [Co/Pd] Multilagen Anwendung fanden. Für eine chemische Ordnung der FePt Legierung sind hohe Temperaturen während der Schichtabscheidung notwendig, welche eine hinreichende Austauschentkopplung beider ferromagnetischer Schichten meist nicht gewährleisten. Grund dafür sind einsetzende Diffusionsprozesse als auch Legierungsbildungen mit dem Zwischenschichtmaterial. In der vorliegenden Arbeit konnte der GMR Effekt daher ausschließlich mit einer Ru Zwischenschicht in FePt basierten Trilagensystemen nachgewiesen und charakterisiert werden. Enorme Verbesserungen der magnetoresistiven Eigenschaften werden im Anschluss für [Co/Pt] und vor allem [Co/Pd] Multilagen vorgestellt. Diese Schichtsysteme mit senkrechter magnetischer Anisotropie können bei Raumtemperatur präpariert werden und stellen daher keine weiteren Anforderungen an das Zwischenschichtmaterial sowie die verwendeten Substrate. Hier wurden neben Systemen mit ausschließlich senkrechter magnetischer Anisotropie auch Systeme mit gekreuzten magnetischen Anisotropien intensiv untersucht, da diese durch einen linearen und weitgehend hysteresefreien R(H) Verlauf imHinblick auf Sensoranwendungen enorme Vorteile bieten. Letztendlich wurde die Korrosionsbeständigkeit in Abhängigkeit des Deckschichtmaterials als auch die mechanische Belastbarkeit von auf flexiblen Substraten abgeschiedenen GMR-Schichtstapeln untersucht. Zusätzlich wird in Kapitel 2.5.2 eine experimentelle Studie zum Surfactant-gesteuerten Wachstum der FePt Legierung mittels Molekularstrahlepitaxie vorgestellt. Als Surfactant dient Sb, wodurch die Kristallinität bei geringer Depositionstemperatur deutlich verbessert werden konnte. Die Oberflächensegregation von Sb wurde mittels Auger Elektronenspektroskopie und Rutherford Rückstreuspektrometrie verifiziert und die Charakterisierung magnetischer Eigenschaften belegt einen Anstieg der magnetischen Anisotropieenergie im Vergleich zu Referenzproben ohne Sb.

The present thesis is about the investigation of ferromagnetic thin film systems with respect to exchange coupling, magnetization reversal behavior and effects appearing in magnetic heterostructures, namely the exchange bias and the giant magnetoresistance effect. For this purpose, DC magnetron sputtered thin films and multilayers with perpendicular magnetic anisotropy were prepared on single crystalline and rigid as well as flexible amorphous substrates. The first part concentrates on magnetic data storage applications based on the combination of the concept of bit patterned media and three dimensional magnetic memory, consisting of at least two exchange decoupled ferromagnetic storage layers. Here, [Co/Pt] multilayers, revealing different magnetic anisotropies, have been applied as storage layers and as spacer material Pt and Ru was employed. By the characterization of the magnetization reversal behavior the exchange coupling in dependence of the spacer layer thickness was studied. Furthermore, with regard to the concept of bit patterned media, the layers were also grown on self-assembled silica particles, leading to an exchange decoupled single-domain magnetic dot array, which was studied by magnetic force microscope imaging and angular dependent magneto-optic Kerr effect magnetometry to evaluate the reversal mechanism and its dependence on the array dimensions, mainly the diameter of the silica particles and layer thicknesses. To complete the study, micromagnetic simulations were performed to access smaller dimensions and to investigate the dependence of intralayer as well as interlayer coupling on the magnetization reversal of the dot array with multiple storage layers. The second part focuses on the investigation of the giant magnetoresistance effect in systems with perpendicular magnetic anisotropy, where L10 -chemically ordered FePt alloys and [Co/Pt] as well as [Co/Pd] multilayers were utilized. In case of FePt, where high temperatures during the deposition are necessary to induce the chemical ordering, diffusion and alloying of the spacer material often prevent a sufficient exchange decoupling of the ferromagnetic layers. However, with Ru as spacer material a giant magnetoresistance effect could be achieved. Large improvements of the magnetoresistive behavior of such trilayer structures are presented for [Co/Pt] and [Co/Pd] multilayers, which can be deposited at room temperature not limiting the choice of spacer as well as substrate material. Furthermore, in systems consisting of one ferromagnet with perpendicular magnetic anisotropy and one ferromagnet with in-plane magnetic easy axis, a linear and almost hysteresis-free field dependence of the electrical resistance was observed and the behavior for various thickness series has been intensively studied. Finally, the corrosion resistance in dependence of the capping layer material as well as the magnetoresistance of a strained flexible pseudo-spin-valve structure is presented. In addition, in chapter 2.5.2 an experimental study of an improved crystal growth of FePt at comparable low temperatures by molecular beam epitaxy and further promoted by a surfactant mediated growth using Sb is shown. Auger electron spectroscopy as well as Rutherford backscattering spectrometry were carried out to confirm the surface segregation of Sb and magnetic characterization revealed an increase of magnetic anisotropy in comparison to reference layers without Sb. / Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung ferromagnetischer Dünnschichtsysteme im Hinblick auf die Austauchkopplung, das Ummagnetisierungsverhalten und Effekte wie z.B. den Exchange Bias Effekt oder den Riesenmagnetwiderstandseffekt (GMR), welche in derartigen Heterostrukturen auftreten können. Die Probenpräparation erfolgte mittels DC Magnetronsputtern, wobei auf einkristallinen aber auch flexiblen sowie starren amorphen Substraten abgeschieden wurde. Im ersten Teil der Arbeit werden Untersuchungen mit dem Hintergrund einer Anwendung als magnetischer Datenträger vorgestellt. Konkret werden hier die Konzepte Bit Patterned Media (BPM) und 3D Speicher miteinander kombiniert. Letzteres Konzept basiert auf der Verwendung wenigstens zweier austauschentkoppelter ferromagnetischer Schichten, für welche [Co/Pt] Multilagen mit unterschiedlicher magnetischer Anisotropie verwendet wurden. Als Zwischenschichtmaterial diente Pt und Ru. Durch die Charakterisierung des Ummagnetisierungsverhaltens wurde die Austauschkopplung in Abhängigkeit der Zwischenschichtdicke untersucht. Darüber hinaus wurden jene Schichtstapel zur Realisierung des BPM-Konzeptes auf selbstangeordnete SiO2 Partikel mit unterschiedlichen Durchmessern aufgebracht, durch welche sich lateral austauschentkoppelte, eindomänige magnetische Nanostrukturen erzeugen lassen. Zur Untersuchung des Ummagnetisierungsverhaltens und der jeweiligen Größenabhängigkeiten (maßgeblich Durchmesser und Schichtdicke) wurden diese mittels Magnetkraftmikroskopie sowie winkelabhängiger magnetooptischer Kerr Effekt Magnetometrie untersucht. Zur weiteren Vertiefung des Verständnisses noch kleinerer Strukturgrößen erfolgten mikromagnetische Simulationen, bei denen die magnetischen Wechselwirkungen lateral (benachbarte 3D Elemente) als auch vertikal (Wechselwirkungen ferromagnetischer Schichten innerhalb eines 3D Elementes) im Interesse standen, sowie deren Auswirkungen auf das Ummagnetisierungsverhalten des gesamten Feldes. Der Fokus des zweiten Teils liegt auf der Untersuchung des Riesenmagnetwiderstandseffektes in Systemen mit senkrechter Sensitivität. Dafür sind ferromagnetische Schichten mit senkrechter magnetischer Anisotropie nötig, wobei hier die chemisch geordnete L10-Phase der FePt Legierung und [Co/Pt] sowie [Co/Pd] Multilagen Anwendung fanden. Für eine chemische Ordnung der FePt Legierung sind hohe Temperaturen während der Schichtabscheidung notwendig, welche eine hinreichende Austauschentkopplung beider ferromagnetischer Schichten meist nicht gewährleisten. Grund dafür sind einsetzende Diffusionsprozesse als auch Legierungsbildungen mit dem Zwischenschichtmaterial. In der vorliegenden Arbeit konnte der GMR Effekt daher ausschließlich mit einer Ru Zwischenschicht in FePt basierten Trilagensystemen nachgewiesen und charakterisiert werden. Enorme Verbesserungen der magnetoresistiven Eigenschaften werden im Anschluss für [Co/Pt] und vor allem [Co/Pd] Multilagen vorgestellt. Diese Schichtsysteme mit senkrechter magnetischer Anisotropie können bei Raumtemperatur präpariert werden und stellen daher keine weiteren Anforderungen an das Zwischenschichtmaterial sowie die verwendeten Substrate. Hier wurden neben Systemen mit ausschließlich senkrechter magnetischer Anisotropie auch Systeme mit gekreuzten magnetischen Anisotropien intensiv untersucht, da diese durch einen linearen und weitgehend hysteresefreien R(H) Verlauf imHinblick auf Sensoranwendungen enorme Vorteile bieten. Letztendlich wurde die Korrosionsbeständigkeit in Abhängigkeit des Deckschichtmaterials als auch die mechanische Belastbarkeit von auf flexiblen Substraten abgeschiedenen GMR-Schichtstapeln untersucht. Zusätzlich wird in Kapitel 2.5.2 eine experimentelle Studie zum Surfactant-gesteuerten Wachstum der FePt Legierung mittels Molekularstrahlepitaxie vorgestellt. Als Surfactant dient Sb, wodurch die Kristallinität bei geringer Depositionstemperatur deutlich verbessert werden konnte. Die Oberflächensegregation von Sb wurde mittels Auger Elektronenspektroskopie und Rutherford Rückstreuspektrometrie verifiziert und die Charakterisierung magnetischer Eigenschaften belegt einen Anstieg der magnetischen Anisotropieenergie im Vergleich zu Referenzproben ohne Sb.