Spin-orbit coupling (SOC) reduces the spatial symmetry of ferromagnetic solids. That is, the physical properties of ferromagnetic materials are anisotropic, depending on the magnetization direction. In this thesis, by means of numerical calculations with full-relativistic density functional theory, we studied two kinds of physical properties: surface magnetic anisotropy energy (MAE) and anisotropic thermoelectric power due to Lifshitz transitions. After a short introduction to the full-relativistic density functional theory in Chapter 2, the MAE of ferromagnetic thin films is studied in Chapter 3. For such systems, separation of different contributions, such as bulk magnetocrystalline anisotropy (MCA) energy, shape anisotropy energy, and surface/interface anisotropy energy, is crucial to gain better understanding of experiments. By fitting our calculating results for thick slabs to a phenomenological model, reliable surface MAE could be obtained. Following this idea, we have studied the MAE of Co slabs with different geometries, focusing on the effects of orbital polarization correction (OPC). We found that the surface anisotropy is mainly determined by the geometry. While OPC gives better results of orbital moments, it overestimates the MAE. In the second part of Chapter3, the effects of electric fields on the MAE of L10 ferromagnetic thin films are studied. Using a simple model to simulate the electric field, our calculations are in good agreement with previous experimental results. We predicted that for CoPt, even larger effects exist. Moreover, we found that it is the amount of screening charge that determines the magnetoelectric coupling effects. This gives us some clue about how to achieve electric field control of magnetization direction. In Chapter 4, Lifshitz transitions in L10 FePt caused by a canted magnetic field are studied. We found several Lifshitz transitions in ordered FePt with tiny features in DOS. Using a two-band model, it is demonstrated that at such transitions, the singular behaviour of kinetic properties is due to the interband scattering, and the singularity itself is proportional to the derivative of the singular DOS. For FePt, such singularity will be smeared into anomaly by chemical disorder. Using CPA, we studied the effects of energy level broadening for the critical bands in FePt. We found that for experimentally available FePt thin films, Lifshitz transitions would induce up to a 3% increase of thermopower as the magnetization is rotated from the easy axis to the hard axis. / Spin-Bahn-Kopplung reduziert die Symmetrie ferromagnetischer Festkörper. Das bedeutet, dass die physikalischen Eigenschaften ferromagnetischer Stoffe anisotrop bezüglich der Magnetisierungsrichtung sind. In dieser Dissertation werden mittels numerischer voll-relativistischer Dichtefunktional-Rechnungen zwei Arten physikalischer Eigenschaften untersucht: magnetische Oberflächen-Anisotropieenergie (MAE) und anisotrope Thermokraft durch Lifshitz-Übergänge. Nach einer kurzen Einführung in die relativistische Dichtefunktional-Theorie in Kapitel 2 wird in Kapitel 3 die MAE ferromagnetischer dünner Filme untersucht. In diesen Systemen ist es für ein Verständnis experimenteller Ergebnisse wichtig, verschiedene Beiträge zu separieren: Volumenanteil der magnetokristallinen Anisotropie (MCA), Formanistropie und Oberflächen bzw. Grenzflächenanisotropie. Durch Anpassen berechneter Daten für dicke Schichten an ein phänomenologisches Modell konnten verlässliche Oberflächen Anisotropien erhalten werden. In dieser Weise wurde die MAE von Co- Schichten mit unterschiedlichen Geometrien untersucht, wobei der Einfluss von Orbitalpolarisations-Korrekturen (OPC) im Vordergrund stand. Es wurde gefunden, dass die Oberflächenanisotropie hauptsächlich von der Geometrie bestimmt wird. Während OPC bessere Ergebnisse für die Orbitalmomente liefert, wird die MAE überschätzt. Im zweiten Teil von Kapitel 3 wird der Einfluss elektrischer Felder auf die MAE von dünnen ferromagnetischen Filmen mit L10-Struktur untersucht. Unter Verwendung eines einfachen Modells zur Simulation des elektrischen Feldes liefern die Rechnungen gute Übereinstimmung mit vorliegenden experimentellen Ergebnissen. Es wird vorhergesagt, dass für CoPt ein noch größerer Effekt existiert. Weiterhin wurde gefunden, dass die magnetoelektrische Kopplung von der Größe der Abschirmladung bestimmt wird. Dies ist eine wichtige Einsicht, um die Magnetisierungsrichtung durch ein elektrisches Feld kontrollieren zu können. In Kapitel 4 werden Lifshitz-Übergänge untersucht, die ein gekantetes Magnetfeld hervorruft. Es wurden mehrere Lifshitz-Übergänge in geordnetem FePt gefunden, welche kleine Anomalien in der Zustandsdichte hervorrufen. Mit Hilfe eines Zweiband-Modells wird gezeigt, dass an solchen Übergängen das singuläre Verhalten kinetischer Eigenschaften durch Interband- Streuung verursacht wird und dass die Singularität proportional zur Ableitung der singulären Zustandsdichte ist. In FePt wird durch chemische Unordnung diese Singularität zu einer Anomalie verschmiert. Der Einfluss einer Verbreiterung der Energieniveaus der kritischen Bänder in FePt wurde mittels CPA untersucht. Es wurde gefunden, dass in experimentell verfügbaren dünnen FePt-Filmen Lifshitz-Übergänge bis zu 3% Erhöhung der Thermokraft erzeugen, wenn die Magnetisierung von der leichten in die harte Richtung gedreht wird.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden de Haas-van Alphen-Untersuchungen an den nichtmagnetischen Borkarbidsupraleitern LuNi2B2C und YNi2B2C präsentiert. Aus den Quantenoszillationen in der normalleitenden Phase in Kombination mit Bandstrukturrechnungen konnten Informationen über die verzweigte Fermiflächenarchitektur und über die Elektron-Phonon-Kopplung der Borkarbide gewonnen werden. Die Kopplung ist stark anisotrop und fermiflächenabhängig. Dies spricht für einen Mehrbandmechanismus der Supraleitung in der Materialklasse. Zusätzlich konnten de Haas-van-Alphen-Oszillationen mehrerer Fermiflächen unterhalb von Bc2 tief in der Shubnikov-Phase beobachtet werden. Das Verhalten dieser Oszillationen lässt sich nicht mit bisher bekannten Theorien beschreiben. Allerdings weist das Bestehen der Oszillationen weit unterhalb von Bc2 auf ein Bestehen von elektronischen Zuständen in der Shubnikov-Phase hin.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines kinetischen Energy Harvesters vorgestellt, der auf Grundlage des elektrostatischen Wandlerprinzips aus Vibrationen elektrische Energie generiert. Für die Umsetzung wurde eine Siliziummikrostruktur entworfen, die für Arbeitsfrequenzen unter 100 Hz ausgelegt ist. Die Zahnstruktur der verwendeten Elektroden ermöglicht Spaltabstände im Submikrometerbereich und folglich große Kapazitätsänderungen, die durch die Elektrodengeometrie zusätzlich mit einer höheren Frequenz als die mechanische Bewegung stattfinden. Vergleichsweise große Leistungsausbeuten und geringe Quellimpedanzen sind dadurch erreichbar. Die geometrischen Parameter der Elektroden wurden unter Berücksichtigung der auftretenden Fertigungstoleranzen und Wechselwirkungen zueinander optimiert. Für die Ausnutzung einer ausreichend großen Inertialmasse wurde ein feinwerktechnisch hergestellter Hebelmechanismus an die Mikrostruktur angekoppelt. Über diesen wird zusätzlich ein neuer Ansatz zur Abstimmung der Eigenfrequenz des Harvesters umgesetzt. Experimentelle Untersuchungen zeigten Ausgangsleistungen im einstelligen Mikrowattbereich bei Anregungen im Zehntel m/s²-Bereich. Durch fortschreitende Optimierungen der Fertigungstechnologie sind noch deutliche Leistungssteigerungen um mindestens zwei Größenordnungen möglich. Weiterhin wird ein Energiemanagementsystem vorgestellt, welches die effiziente Übertragung der Energie auf den Verbraucher ermöglicht. / In this work the development of a kinetic energy harvester using the electrostatic conversion principle is presented. The silicon microstructure is designed to work in frequency ranges below 100Hz. Its toothed electrode structure enables gap distances in the sub micrometer range and consequently high changes of capacitance. Additionally, due to the electrode geometry the frequency of the capacitance changes is higher then the frequency of the mechanical movement. Thus high power outputs and low source impedances can be reached. The electrodes geometric parameters were optimized considering manufacturing tolerances and interactions of the parameters. To reach a sufficient inertial mass, a lever mechanism manufactured by precision engineering was connected to the microstructure. This mechanism also allows the implementation of a new method of frequency tuning. In experimental tests power outputs in the single digit microwatt range under excitations of 0.3 m/s² were reached. In accordance of further optimizations of the manufacturing technology significantly higher outputs, by at least two orders of magnitude, are possible,. Furthermore an energy management system is presented, that allows the efficient transfer of the electrical energy to the consumer.

‘Coupled process’ implies that one process affects the initiation and progress of the others and vice versa. The deformation and damage behaviors of rock under loading process change the fluid flow field within it, and lead to altering in permeable characteristics; on the other side inner fluid flow leads to altering in pore pressure and effective stress of rock matrix and flow by influencing stress strain behavior of rock. Therefore, responses of rock to natural or man-made perturbations cannot be predicted with confidence by considering each process independently. As far as hydro-mechanical behavior of rock is concerned, the researchers have always been making efforts to develop the model which can represent the permeable characteristics as well as stress-strain behaviors during the entire damage process. A brittle low porous granite was chosen as the study object in this thesis, the aim is to establish a corresponding constitutive law including the relation between permeability evolution and mechanical deformation as well as the rock failure behavior under hydro-mechanical coupled conditions based on own hydro-mechanical coupled lab tests. The main research works of this thesis are as follows: 1. The fluid flow and mechanical theoretical models have been reviewed and the theoretical methods to solve hydro-mechanical coupled problems of porous medium such as flow equations, elasto-plastic constitutive law, and Biot coupled control equations have been summarized. 2. A series of laboratory tests have been conducted on the granite from Erzgebirge–Vogtland region within the Saxothuringian segment of Central Europe, including: permeability measurements, ultrasonic wave speed measurements, Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests. A hydro-mechanical coupled testing system has been designed and used to conduct drained, undrained triaxial compression tests and permeability evolution measurements during complete loading process. A set of physical and mechanical parameters were obtained. 3. Based on analyzing the complete stress-strain curves obtained from triaxial compression tests and Hoek-Brown failure criterion, a modified elemental elasto-plastic constitutive law was developed which can represent strength degradation and volume dilation considering the influence of confining pressure. 4. The mechanism of HM-coupled behavior according to the Biot theory of elastic porous medium is summarized. A trilinear evolution rule for Biot’s coefficient based on the laboratory observations was deduced to eliminate the error in predicting rock strength caused by constant Biot’s coefficient. 5. The permeability evolution of low porous rock during the failure process was described based on literature data and own measurements, a general rule for the permeability evolution was developed for the laboratory scale, a strong linear relation between permeability and volumetrical strain was observed and a linear function was extracted to predict permeability evolution during loading process based on own measurements. 6. By combining modified constitutive law, the trilinear Biot’s coefficient evolution model and the linear relationship between permeability and volumetrical strain, a fully hydro-mechanical coupled numerical simulation scheme was developed and implemented in FLAC3D. A series of numerical simulations of triaxial compression test considering the hydro-mechanical coupling were performed with FLAC3D. And a good agreement was found between the numerical simulation results and the laboratory measurements under 20 MPa confining pressure and 10 MPa fluid pressure, the feasibility of this fully hydro-mechanical coupled model was proven.

In einer Einleitung werden verschiedene Möglichkeiten der Kopplung unterschiedlicher physikalischer Domänen diskutiert. Begriffe wie Kopplung auf Systemebene über Terminals und auf Feldebene über Lastvektor oder Matrixkopplung werden zugeordnet. Wie diese Kopplungsmöglichkeiten sich in der ANSYS Simulationsumgebung wiederfinden, wird aufgezeigt. Am Beispiel eines Akuators wird erläutert, welche physikalischen Domänen gekoppelt betrachtet werden müssen, um die hier vorhandenen temperaturabhängigen Materialeigenschaften zu berücksichtigen. In einem Beispiel zu einer Steckverbindung wird aufgezeigt, wie eine vom Kontaktdruck abhängige Leitfähigkeit berücksichtigt wird und Ergebnisse aus dieser Simulation werden diskutiert.

Thesis (doctoral)--Freie Universität, Berlin, 2007. / Includes bibliographical references.