In the present work, the influence of the morphology of thin ferromagnetic films on their static as well as dynamic magnetic properties was investigated by means of broadband ferromagnetic resonance (FMR). Using an ion beam erosion process the surface of the substrates was periodically modulated (ripples), where the modulation wavelength is determined by the ion energy. In this way a well-controllable roughness profile evolves ranging from a few ten up to several hundreds of nanometers in wavelength. The substrate’s surface profile in turn is repeated by films grown on top offering an easy and fast approach to investigate morphology influences on the magnetic properties. This work aims on modifications of the magnetic anisotropy as well as the FMR linewidth of the magnetic relaxation process. Prior to magnetic investigations the existing FMR setup was extended to measure FMR spectra at a fixed microwave frequency while sweeping the external magnetic field. Furthermore, a software toolbox was developed to perform the data processing and evaluation. Starting with the morphology influence on the magnetic anisotropy 10 nm thin Fe, Co, and Ni81Fe19 (Permalloy ≡ Py) films were deposited on rippled Si substrates. Due to Si displacements during ion erosion and natural oxidation the rippled Si substrates exhibit an amorphous surface causing a polycrystalline material growth. This leads to a suppression of magneto-crystalline anisotropy leaving only morphology-induced anisotropy contributions. Here, a uniaxial magnetic anisotropy (UMA) was observed that aligns its easy axis with the ripple ridges, whereas its strength decays with increasing ripple wavelength for all materials. From thickness-dependent measurements two characteristic regions were determined with competing uniaxial volume and surface anisotropy contributions. Underlined by micromagnetic simulations a dominant volume contribution was found in the thin region accompanied by magnetic moments nearly following the surface corrugation. In the thick region the UMA is controlled by dipolar stray fields at the surface. In contrast to Si, ion eroded MgO keeps its crystal structure offering epitaxial growth of 10 nm thin single-crystalline Fe films. Consequently, a superposition of morphology-induced UMA and magneto-crystalline cubic anisotropy was observed. The direction of the ripple ridges is predetermined by the incident ion beam, which allows to freely orient the UMA’s direction with respect to the cubic anisotropy, offering a possibility for anisotropy engineering. In comparison to the planar reference case rippled magnetic films exhibit lower intrinsic and extrinsic relaxation contributions. For the final part, 30 nm Py was grown on rippled Si covering modulation wavelengths λ ranging from 27 to 432 nm. Using magnetic force microscopy and holography measurements the dipolar stray fields above and inside the magnetic layer were characterized. For λ ≥ 222 nm, the stray fields act as scattering centers for spin waves triggering two-magnon scattering (TMS). This causes an apparent line broadening generating distinct peaks in the frequency-dependent linewidth whose position can be tuned by altering λ. These effects are understood in the framework of a perturbation theory of spin waves in periodically perturbed films recently presented in the literature. Furthermore, the in-plane angular dependence of the linewidth revealed a two-fold symmetry, which is not present for vanishing TMS at small λ. / In Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Morphologie eines dünnen ferromagnetischen Films auf dessen statische und dynamische Eigenschaften mittels breitbandiger ferromag- netischer Resonanz (FMR) untersucht. Durch Ionenstrahl-Erosion wurde die Oberfläche des verwendeten Substrats periodisch moduliert (Ripple), wobei die Wellenlänge der Modulation durch die Ionenenergie bestimmt ist. Dies ermöglicht die kontrollierte Herstellung rauer Oberflächen mit Wellenlängen zwischen wenigen zehn bis zu einigen hundert Nanometern. Werden auf diesen Oberflächen Filme abgeschieden, übernehmen diese die Modulation. Somit ergibt sich eine einfache und schnelle Untersuchungsmöglichkeit der magnetischen Filmeigenschaften in Hinblick auf die Morphologie. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Morphologieeinflüssen auf die magnetische Anisotropie sowie FMR-Linienbreite. Im Vorfeld der magnetischer Untersuchungen wurde der bestehende FMR-Aufbau um einen Messmodus erweitert, sodass Messungen bei fester Mikrowellenfrequenz und gleichzeitigem Durchfahren eines externen magnetischen Feldes möglich wurden. Weiterhin wurde ein Softwarepaket für die Datenauswertung entwickelt. Beginnend mit dem Morphologieeinfluss auf die magnetische Anisotropie wurden 10 nm dünne Fe, Co und Ni81Fe19 (Permalloy ≡ Py) Filme auf periodisch moduliertem Si abgeschieden. Durch Versetzungen während der Ionenstrahl-Erosion und Bildung einer natürlichen Oxidschicht bildet sich bei den verwendeten Substraten eine amorphe Oberfläche, was zu polykristallinem Schichtwachstum führt. Dadurch wird die magneto-kristalline Anisotropie unterdrückt und morphologie-induzierte Beiträge bestimmen die Anisotropie. Beobachtet wurde eine induzierte uniaxiale magnetische Anisotropie (UMA), deren leichte Richtung sich entlang der Ripple-Wellenzüge ausrichtet. Mittels schichtdickenabhängigen Messungen wurden zwei charakteristische Regionen mit konkurrierender uniaxialer Volumen- und Oberflächenanisotropie ermittelt. Dabei ist die Volumenkomponente im Bereich dünner Schichten vorherrschend und die magnetischen Momente richten sich entlang der Oberflächenmodulation aus. Für dickere Schichten ist die UMA dahingegen durch dipolare Streufelder bestimmt. Die experimentellen Funde werden in beiden Bereichen durch mikromagnetische Simulationen untermauert. Im Gegensatz zu erodiertem Si behält MgO seine Kristallstruktur, was epitaktisch gewachsene, einkristalline Fe-Schichten von 10 nm Dicke ermöglicht. Folglich wurde eine Überlagerung aus induzierter und kristalliner Anisotropie beobachtet. Dadurch, dass die Richtung der Ripple durch die Richtung des Ionenstrahls während der Erosion vorgegeben wird, lässt sich die UMA frei gegen die kristalline Anisotropie drehen, was wiederum Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der Anisotropie bietet. Im Hinblick auf die dynamischen magnetischen Eigenschaften führen Ripple zu einer Verringerung der intrinsischen und extrinsischen Relaxationsbeiträge. Für den letzten Teil der Arbeit wurde 30 nm dünnes Py auf Si-Ripple gewachsen, wobei ein Wellenlängenbereich von λ = 27 nm bis 432 nm abgedeckt wurde. Mit Hilfe von magnetischer Kraftmikroskopie und Holographie wurden die dipolaren Streufelder über und in den Filmen untersucht. Ab λ ≥ 222 nm ermöglichen diese dipolaren Felder eine Streuung von Spinwellen, sodass Zwei-Magnonen-Streuung (TMS) auftritt. Dies führt zu einer scheinbaren Linienverbreiterung und äußert sich durch einzelne Peaks in der frequenzabhängigen Linienbreite. Letztere lassen sich in ihrer Frequenzposition durch die Wellenlänge des Substrates beeinflussen und können mittels einer kürzlich in der Literatur veröffentlichten Störungstheorie für Spinwellen in periodisch gestörten Filmen erklärt werden. Weiterhin wurde in der winkelabhängigen Linienbreite eine zweifache Symmetrie beobachtet, welche durch die TMS hervorgerufen wird und folglich nicht bei kleinen Wellenlängen zu beobachten ist.

Les syndromes démyélinisants acquis (SDA) pédiatriques sont un groupe de maladies qui affectent la substance blanche (SB) et la substance grise (SG) du système nerveux central (SNC) chez les enfants, et qui partagent certaines caractéristiques et mécanismes pathologiques. Les SDA peuvent être monophasiques ou récurrents. Les SDA comprennent des maladies telles que l'encéphalomyélite aiguë disséminée (EMDA), les troubles du spectre de la neuromyélite optique (TS-NMO), la sclérose en plaques (SEP) et le syndrome démyélinisant récurrent avec anticorps contre la glycoprotéine oligodendrocytique de myéline (anticorps anti-MOG). Ce dernier syndrome, appelé aussi maladie MOG+, a été reconnu récemment comme une entité distincte faisant partie des maladies démyélinisantes récurrentes chez les enfants. La maladie MOG+ présente des caractéristiques semblables à celles de la SEP; en effet, certains cas ont été déjà considérés comme une forme « atypique » de SEP. La maladie MOG+ et la SEP partagent des lésions dans la SB du SNC, mais la SEP est caractérisée aussi par des lésions corticales (LCs) cérébrales, insuffisamment étudiées dans la maladie MOG+. Par conséquent, le but de cette recherche a été de comparer les caractéristiques démographiques et des lésions cérébrales visibles sur des études d’imagerie par résonance magnétique (IRM) chez les enfants atteints de SEP et ceux atteints de la maladie MOG+. Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé des scans IRM 3T, incluant les contrastes pondérés T1, FLAIR et des images de transfert de magnétisation (ITM) de 14 enfants atteints de SEP et 13 enfants atteints de la maladie MOG+. Nous avons mesuré le nombre des LCs, le volume des lésions dans la SB et les valeurs normalisées d’ITM dans les LCs et les lésions de la SB. Nos résultats ont montré que les enfants atteints de la maladie MOG+ étaient plus jeunes au début de la maladie et que celle-ci présentait une durée plus longue que la maladie du groupe SEP. Quant aux lésions cérébrales, les LCs étaient présentes dans la maladie MOG+, mais leur nombre était significativement plus élevé dans le groupe SEP. Cependant, les valeurs normalisées d’ITM dans ces lésions (valeurs qui sont sensibles à la quantité de myéline) n'étaient pas significativement différentes entre les deux groupes. En plus, le volume des lésions de la SB était significativement plus élevé dans le groupe SEP et les valeurs normalisées d’ITM dans ces lésions, significativement inférieures comparativement à la maladie MOG+, témoignant ainsi d’une démyélinisation plus sévère et des différences potentielles dans les mécanismes de démyélinisation. / Pediatric Acquired Demyelinating Syndromes (ADS) are a group of diseases that affect the white matter (WM) and gray matter (GM) of the central nervous system (CNS) in children and that share similar pathological characteristics and mechanisms. ADS can be monophasic or recurrent. The ADS include diseases like acute disseminated encephalomyelitis (ADEM), neuromyelitis optic spectrum disorders (NMO-SD), multiple sclerosis (MS) and Relapsing Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein (MOG) syndrome or MOG+ disease, which has been recently recognised as a distinct pathology and is part of the relapsing ADS in children. MOG+ disease shares features with MS; indeed, some MOG+ cases have been considered as an “atypical” form of MS until recently. Both MOG+ disease and MS present lesions in the WM of the CNS. MS is also characterized by focal brain cortical lesions (CL), which have not been extensively studied in MOG+ disease yet. For this reason, the aim of this research project was to compare the demographic and brain magnetic resonance imaging (MRI) characteristics of children with MS and children with MOG+ disease. To achieve our goal, we used 3T MRI including T1-weighted, FLAIR and magnetization transfer ratio (MTR) contrasts of 14 MS participants, and 13 relapsing MOG+ participants. CL counts, WM lesion volumes, normalized MTR values in CLs, and WM lesions were compared across groups. Our results show that children with MOG+ disease were younger at disease onset and had a longer disease duration compared to the MS group. CL were present in MOG+ participants, but counts were significantly higher in the MS group. However, their normalized-MTR values, which are sensitive to myelin, were not significantly different between both groups. WM lesion volumes were significantly higher in the MS group, but their normalized MTR values were significantly lower than in MOG+ WM lesions, likely reflecting more severe demyelination and potential differences in the demyelinating mechanism.

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.

Zur Aufklärung der lokalen Magnetisierungs- und magnetischen Streufeldstruktur in ferromagnetischen und supraleitenden Materialien wurden magnetkraftmikroskopische (Magnetkraftmikroskopie-MFM) Untersuchungen durchgeführt und quantitativ ausgewertet. Für eine solch quantitative Auswertung muss der Einfluß der verwendeten MFM-Spitzen auf das MFM-Bild bestimmt und in geeigneter Weise subtrahiert werden. Hierzu wurden Spitzenkalibrierungsroutinen und ein Verfahren zur Entfaltung der gemessenen MFM-Daten implementiert, das auf der Wiener Dekonvolution basiert. Mit Hilfe dieser Prozedur können sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Größe der Streufelder direkt aus gemessenen MFM-Bildern bestimmt werden. Gezeigt wurde diese Anwendung für die Durchmesserbestimmung von Blasendomänen in einer (Co/Pd)-Multilage und für die Bestimmung der temperaturabhängigen magnetischen Eindringtiefe in einem supraleitendem BaFe2(As0.24P0.76)2 Einkristall. Desweiteren konnte durch die Kombination von mikromagnetischen Rechnungen und der quantitativen MFM-Datenanalyse die Existenz einer dreidimensionalen Vortex-Struktur am Ende von Co48Fe52-Nanodrähten nachgewiesen werden. Damit ist es gelungen die Tiefensensitivität der Magnetkraftmikroskopie erfolgreich in die Rekonstruktion der vermessenen Magnetisierungsstruktur einzubeziehen.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Preisach-Modell bezüglich stochastischer äußerer Felder und temperaturbezogener Aspekte zu untersuchen. Das phänomenologische Preisach-Modell wird oft erfolgreich angewendet, um Systeme mit Hysterese zu beschreiben. Im ersten Teil der Arbeit wird die Antwort des Preisach-Modells auf stochastische äußere Felder untersucht. Hier liegt das Augenmerk hauptsächlich auf der Autokorrelation; sie dient dazu den Einfluss des hysteretischen Gedächtnisses zu quantifizieren. Mit analytischen Methoden wird gezeigt, dass sich ein Langzeitgedächtnis, sichtbar in der Autokorrelation der Systemantwort, entwickeln kann, selbst wenn das treibende Feld unkorreliert ist. Im Anschluss werden diese Resultate, m.H. von Simulationen, auf äußere Felder ausgeweitet, die selbst Korrelationen aufweisen können. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer endlichen Temperatur auf das Preisach-Modell. Es werden unterschiedliche Methoden besprochen, wie das Nichtgleichgewichtsmodell in seiner mikromagnetischen Interpretation mit Temperatur als Gleichgewichtseigenschaft verknüpft werden kann. Eine Formulierung wird genutzt, um die Magnetisierung von Nickelnanopartikeln in einer Fullerenmatrix zu simulieren und mit Experimenten zu vergleichen. Des Weiteren wird die Relaxationsdynamik des Gedächtnisses des Preisach-Modells bei endlichen Temperaturen untersucht. / The aim of this thesis is to investigate the Preisach model in regard to stochastically driving and temperature-related aspects. The Preisach model is a phenomenological model for systems with hysteresis which is often successfully applied. Hysteresis is a widespread phenomenon which is observed in nature and the key feature of certain technological applications. Further, it contributes to phenomena of interest in social science and economics as well. Prominent examples are the magnetization of ferromagnetic materials in an external magnetic field or the adsorption-desorption hysteresis observed in porous media. Hysteresis involves the development of a hysteresis memory, and multistability in the interrelations between external driving fields and system response. In the first part, we mainly investigate the response of Preisach hysteresis models driven by stochastic input processes with regard to autocorrelation functions to quantify the influence of the system’s memory. Using rigorous methods, it is shown that the development of a hysteresis memory is reflected in the possibility of long-time tails in the autocorrelation functions, even for uncorrelated driving fields. In the case of uncorrelated driving, these long-time tails in the autocorrelations of the system’s response are determined only by the tails of the involved densities. They will be observed if there are broad Preisach densities assigning a high weight to elementary loops of large width and narrow input densities such that rare extreme events of the input time series contribute significantly to the output for a long period of time. Afterwards, these results are extended by simulations to driving fields which themselves show correlations. It is shown that the autocorrelation of the output does not decay faster than the autocorrelation of the input process. Further, there is a possibility that long-term memory in the hysteretic response is more pronounced in the case of uncorrelated driving than in the case of correlated driving. The behavior of the output probability distribution at the saturation values is quite universal. It is not affected by the presence of correlations and allows conclusions whether the input density is much more narrow than the Preisach density or not. Moreover, the existence of effective Preisach densities is shown which define equivalence classes of systems of input and Preisach densities which lead to realizations of the same output variable. The asymptotic behavior of an effective Preisach density determines the asymptotic correlation decay of the system’s response in the case of uncorrelated driving. In the second part, temperature-related effects are considered. It is reviewed how the non-equilibrium Preisach model in its micromagnetic picture can be related to temperature within the framework of extended irreversible thermodynamics. The irreversible response of a ferromagnetic material, namely, Nickel nanoparticles in a fullerene matrix, is simulated. The model includes superparamagnetism where ferromagnetism breaks down at temperatures lower than the Curie temperature and the results are compared to experimental data. Furthermore, we adapt known results for the thermal relaxation of the system’s memory in the form of a front propagation in the Preisach plane derived basically from solving a master equation and by the use of a contradictory assumption. A closer look is taken at short time scales which dissolves the contradiction and shows that the known results apply, taking into account the fact that the dividing line propagation starts with an additional delay time depending on the front coordinates in the Preisach plane. Additionally, it is outlined how thermal relaxation behavior in the Preisach model of hysteresis can be studied using a Fokker-Planck equation. The latter is solved analytically in the non-hysteretic limit using eigenfunction methods. The results indicate a change in the relaxation behavior, especially on short time scales.

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Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Preisach-Modell bezüglich stochastischer äußerer Felder und temperaturbezogener Aspekte zu untersuchen. Das phänomenologische Preisach-Modell wird oft erfolgreich angewendet, um Systeme mit Hysterese zu beschreiben. Im ersten Teil der Arbeit wird die Antwort des Preisach-Modells auf stochastische äußere Felder untersucht. Hier liegt das Augenmerk hauptsächlich auf der Autokorrelation; sie dient dazu den Einfluss des hysteretischen Gedächtnisses zu quantifizieren. Mit analytischen Methoden wird gezeigt, dass sich ein Langzeitgedächtnis, sichtbar in der Autokorrelation der Systemantwort, entwickeln kann, selbst wenn das treibende Feld unkorreliert ist. Im Anschluss werden diese Resultate, m.H. von Simulationen, auf äußere Felder ausgeweitet, die selbst Korrelationen aufweisen können. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer endlichen Temperatur auf das Preisach-Modell. Es werden unterschiedliche Methoden besprochen, wie das Nichtgleichgewichtsmodell in seiner mikromagnetischen Interpretation mit Temperatur als Gleichgewichtseigenschaft verknüpft werden kann. Eine Formulierung wird genutzt, um die Magnetisierung von Nickelnanopartikeln in einer Fullerenmatrix zu simulieren und mit Experimenten zu vergleichen. Des Weiteren wird die Relaxationsdynamik des Gedächtnisses des Preisach-Modells bei endlichen Temperaturen untersucht. / The aim of this thesis is to investigate the Preisach model in regard to stochastically driving and temperature-related aspects. The Preisach model is a phenomenological model for systems with hysteresis which is often successfully applied. Hysteresis is a widespread phenomenon which is observed in nature and the key feature of certain technological applications. Further, it contributes to phenomena of interest in social science and economics as well. Prominent examples are the magnetization of ferromagnetic materials in an external magnetic field or the adsorption-desorption hysteresis observed in porous media. Hysteresis involves the development of a hysteresis memory, and multistability in the interrelations between external driving fields and system response. In the first part, we mainly investigate the response of Preisach hysteresis models driven by stochastic input processes with regard to autocorrelation functions to quantify the influence of the system’s memory. Using rigorous methods, it is shown that the development of a hysteresis memory is reflected in the possibility of long-time tails in the autocorrelation functions, even for uncorrelated driving fields. In the case of uncorrelated driving, these long-time tails in the autocorrelations of the system’s response are determined only by the tails of the involved densities. They will be observed if there are broad Preisach densities assigning a high weight to elementary loops of large width and narrow input densities such that rare extreme events of the input time series contribute significantly to the output for a long period of time. Afterwards, these results are extended by simulations to driving fields which themselves show correlations. It is shown that the autocorrelation of the output does not decay faster than the autocorrelation of the input process. Further, there is a possibility that long-term memory in the hysteretic response is more pronounced in the case of uncorrelated driving than in the case of correlated driving. The behavior of the output probability distribution at the saturation values is quite universal. It is not affected by the presence of correlations and allows conclusions whether the input density is much more narrow than the Preisach density or not. Moreover, the existence of effective Preisach densities is shown which define equivalence classes of systems of input and Preisach densities which lead to realizations of the same output variable. The asymptotic behavior of an effective Preisach density determines the asymptotic correlation decay of the system’s response in the case of uncorrelated driving. In the second part, temperature-related effects are considered. It is reviewed how the non-equilibrium Preisach model in its micromagnetic picture can be related to temperature within the framework of extended irreversible thermodynamics. The irreversible response of a ferromagnetic material, namely, Nickel nanoparticles in a fullerene matrix, is simulated. The model includes superparamagnetism where ferromagnetism breaks down at temperatures lower than the Curie temperature and the results are compared to experimental data. Furthermore, we adapt known results for the thermal relaxation of the system’s memory in the form of a front propagation in the Preisach plane derived basically from solving a master equation and by the use of a contradictory assumption. A closer look is taken at short time scales which dissolves the contradiction and shows that the known results apply, taking into account the fact that the dividing line propagation starts with an additional delay time depending on the front coordinates in the Preisach plane. Additionally, it is outlined how thermal relaxation behavior in the Preisach model of hysteresis can be studied using a Fokker-Planck equation. The latter is solved analytically in the non-hysteretic limit using eigenfunction methods. The results indicate a change in the relaxation behavior, especially on short time scales.

Zur Aufklärung der lokalen Magnetisierungs- und magnetischen Streufeldstruktur in ferromagnetischen und supraleitenden Materialien wurden magnetkraftmikroskopische (Magnetkraftmikroskopie-MFM) Untersuchungen durchgeführt und quantitativ ausgewertet. Für eine solch quantitative Auswertung muss der Einfluß der verwendeten MFM-Spitzen auf das MFM-Bild bestimmt und in geeigneter Weise subtrahiert werden. Hierzu wurden Spitzenkalibrierungsroutinen und ein Verfahren zur Entfaltung der gemessenen MFM-Daten implementiert, das auf der Wiener Dekonvolution basiert. Mit Hilfe dieser Prozedur können sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Größe der Streufelder direkt aus gemessenen MFM-Bildern bestimmt werden. Gezeigt wurde diese Anwendung für die Durchmesserbestimmung von Blasendomänen in einer (Co/Pd)-Multilage und für die Bestimmung der temperaturabhängigen magnetischen Eindringtiefe in einem supraleitendem BaFe2(As0.24P0.76)2 Einkristall. Desweiteren konnte durch die Kombination von mikromagnetischen Rechnungen und der quantitativen MFM-Datenanalyse die Existenz einer dreidimensionalen Vortex-Struktur am Ende von Co48Fe52-Nanodrähten nachgewiesen werden. Damit ist es gelungen die Tiefensensitivität der Magnetkraftmikroskopie erfolgreich in die Rekonstruktion der vermessenen Magnetisierungsstruktur einzubeziehen.:Introduction 6 1 Contrast formation in Magnetic Force Microscopy (MFM) 9 1.1 Type of interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.1 Relevant interaction forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.2 Magnetic interaction mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Basic magnetostatics of the tip-sample system . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 General magnetostatic expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Description of the tip sample system . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.3 Magnetostatics in Fourier space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Instrumentation 20 2.1 Scanning Force Microscopy (SFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.1 Measurement principle and operation modes . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.2 Dynamic mode SFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Lift mode MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 Non-contact MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Vibrating Sample Magnetometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 Quantitative Magnetic Force Microscopy 28 3.1 The challenge of MFM image inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.1 Description of the problem and state of the art . . . . . . . . . . . 28 3.1.2 The point probe approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.3 The transfer function approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Tip calibration: Adapted Wiener deconvolution . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 Details of the procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.2 Evaluation of possible errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Noise measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4 MFM probes and their specific characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5 Calibration samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6 Detection of tip-sample modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Quantitative MFM with iron filled carbon nanotube sensors (Fe-CNT) 56 4.1 The monopole character of Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Calibration within the point probe approximation . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Calibration results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.1.3 Quantitative MFM on a [Co/Pt]/Co/Ru multilayer . . . . . . . . . 62 4.2 Inplane sensitive MFM with Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1 Bimodal MFM technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.2 Comparison between calculated and measured in-plane contrast . . 66 5 Quantification of magnetic nanoobjects in MFM measurements 70 5.1 Bubble domains in a [Co/Pd]80 multilayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.1.1 Micromagnetic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.2 MFM image simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2 Quantitative assessment of the magnetic penetration depth in superconductors 78 5.2.1 Comparison of methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2.2 Experimental determination of the temperature dependent penetration depth in a BaFe2(As0:24P0:76)2 single crystal . . . . . . . . . . . 83 6 Magnetization studies of CoFe nanowire arrays on a local and global scale 87 6.1 Revisiting the estimation of demagnetizing fields in magnetic nanowire arrays 88 6.1.1 Available approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.2 Calculation of demagnetizing fields in nanowire arrays . . . . . . . . 91 6.2 Micromagnetic Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.3 Combination of demagnetizing field calculations and micromagnetic simulation100 6.4 Experimental details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.5 Global hysteresis measurements of CoFe nanowire arrays with varying length 104 6.6 Local magnetic characterization of a CoFe nanowire array by quantitative MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.6.1 Magnetic structure of individual nanowires . . . . . . . . . . . . . . 107 6.6.2 Magnetization reversal of the nanowire array . . . . . . . . . . . . . 110 6.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Conclusions and Outlook 119 Bibliography 121 Acknowledgements 135

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.

Manipulation of ferromagnetic (FM) spins (and spin textures) using an antiferromagnet (AFM) as an active element in exchange coupled AFM/FM heterostructures is a promising branch of spintronics. Recent ground-breaking experimental demonstrations, such as electrical manipulation of the interfacial exchange coupling and FM spins, as well as ultrafast control of the interfacial exchange-coupling torque in AFM/FM heterostructures, have paved the way towards ultrafast spintronic devices for data storage and neuromorphic computing device applications.[5,6] To achieve electrical manipulation of FM spins, AFMs offer an efficient alternative to passive heavy metal electrodes (e.g., Pt, Pd, W, and Ta) for converting charge current to pure spin current. However, AFM thin films are often integrated into complex heterostructured thin film architectures resulting in chemical, structural, and magnetic disorder. The structural and magnetic disorder in AFM/FM-based spintronic devices can lead to highly undesirable properties, namely thermal dependence of the AFM anisotropy energy barrier, fluctuations in the magnetoresistance, non-linear operation, interfacial spin memory loss, extrinsic contributions to the effective magnetic damping in the adjacent FM, decrease in the effective spin Hall angle, atypical magnetotransport phenomena and distorted interfacial spin structure. Therefore, controlling the magnetic order down to the nanoscale in exchange coupled AFM/FM-based heterostructures is of fundamental importance. However, the impact of fractional variation in the magnetic order at the nanoscale on the magnetization reversal, magnetization dynamics, interfacial spin transport, and the interfacial domain structure of AFM/FM-based heterostructures remains a critical barrier. To address the aforementioned challenges, we conduct a comprehensive experimental investigation of chemical, structural, magnetization reversal (integral and element-specific), magnetization dynamics, and magnetotransport properties, combined with high-resolution magnetic imaging of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3-based heterostructures. Initially, we study the chemical, structural, electrical, and magnetic properties of epitaxially textured MgO(001)/IrMn3(0-35 nm)/Ni3Fe(15 nm)/Al2O3(2.0 nm) heterostructures. We reveal the impact of magnetic field annealing on the interdiffusion at the IrMn3/Ni3Fe interface, electrical resistivity, and magnetic properties of the heterostructures. We further present an AFM IrMn3 film thickness dependence of the exchange bias field, coercive field, magnetization reversal, and magnetization dynamics of the exchange coupled heterostructures. These experiments reveal a strong correlation between the chemical, structural and magnetic properties of the IrMn3-based heterostructures. We find a significant decrease in the spin-mixing conductance of the chemically-disordered IrMn3/Ni3Fe interface compared to the chemically-ordered counterpart. Independent of the AFM film thickness, we unveil that thermally disordered AFM grains exist in all the samples (measured up to 35-nm-thick IrMn3 films). We develop an iterative magnetic field cooling procedure to systematically manipulate the orientation of the thermally disordered and reversible AFM moments and thus, achieve tunable magnetic, and magnetotransport properties of exchange coupled AFM-based heterostructures. Subsequently, we investigate the impact of fractional variation in the AFM order on the magnetization reversal and magnetotransport properties of the epitaxially textured ɣ-phase IrMn3/Ni3Fe, Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe, and Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/CoO heterostructures. We probe the element-specific (FM: Ni and Co, and AFM: Mn) magnetization reversal properties of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO heterostructures in various magnetic field cooled states. We present a detailed procedure for separating the spin and orbital moment contributions for magnetic elements using the XMCD sum rule. We address whether Mauri-type domain walls can develop at the (polycrystalline) exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe interfaces. We further study the impact of magnetic field cooling on the AFM Mn (near L2,3-edges) X-ray absorption spectra. Finally, we employ a combination of in-field high-resolution magnetic force microscopy, magnetooptical Kerr effect magnetometry with micro-focused beam, and micromagnetic simulations to study the magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM and AFM/FM/AFM disk structures. We examine the magnetic vortex annihilation mechanism mediated by the emergence and subsequent annihilation of the vortex-antivortex (V-AV) pairs in simple FM and exchange coupled FM/AFM as well as AFM/FM/AFM disk structures. We image the distorted magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM disks proposed by Gilbert and coworkers. We further emphasize crucial magnetic vortex properties, such as handedness, effective vortex core radius, core displacement at remanence, nucleation field, annihilation field, and exchange bias field. Our experimental inquiry offers profound insight into the interfacial exchange interaction, magnetization reversal, magnetization dynamics, and interfacial spin transport of the AFM/FM-based heterostructures. Moreover, our results pave the way towards nanoscale control of the magnetic properties in AFM-based heterostructures and point towards future opportunities in the field of AFM spintronic devices.:1. Introduction 2. Magnetic Interactions and Exchange Bias Effect 3. Materials 4. Experimental Methods 5. Structural, Electrical, and Magnetization Reversal Properties of Epitaxially Textured ɣ-IrMn3/ Ni3Fe Heterostructures 6. Magnetization Dynamics of MgO(001)/IrMn3/Ni3Fe Heterostructures in the Frequency Domain 7. Tunable Magnetic and Magnetotransport Properties of MgO(001)/Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/ CoO/Pt Heterostructures 8. Element-Specific XMCD Study of the Exchange Couple Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO Heterostructures 9. Distorted Vortex Structure and Magnetic Vortex Reversal Processes in Exchange Coupled Ni3Fe/IrMn3 Disk Structures 10. Conclusions and Outlook Addendum Acronyms Symbols Publication List Author Information Acknowledgments Statement of Authorship