Various nanostructured materials display unique and interesting optical properties. Specific nanoscale objects discussed in an experimental perspective in this dissertation include optical metamaterials, surface plasmon sensors, and two-dimensional materials. These nanoscale objects were fabricated, investigated optically, and their applications are assessed. First, one-dimensional magnetic gratings were studied, followed by their two-dimensional analog, the so-called "fishnet." Both were fabricated, characterized, and their properties, such as waveguiding modes, are examined. Interestingly, these devices can exhibit optical magnetism and even negative refraction; however, their general characterization at oblique incidence is challenging due to diffraction. Here, a new method of optical characterization of metamaterials which takes into account diffraction is presented. Next, surface plasmon resonance (SPR) was experimentally used in two schemes, for the first time, to determine the transition layer characteristics between a metal and dielectric. The physics of interfaces, namely the singularity of electric permittivity and how it can be electrically shifted, becomes clearer owing to the extreme sensitivity of SPR detection mechanisms. Finally, ultra-thin two-dimensional semiconducting materials had their radiative lifetime analyzed. Their lifetimes are tuned both by number of atomic layers and applied voltage biasing across the surface, and the changes in lifetime are suspected to be due to quenching or enhancement of non-radiative process rates.

The aim of this master thesis is to design and analyse a FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industrial applications. The design process includes analytical calculations (initial design and PM amount minimization) and nite element method (FEM) based design optimization. An overcompensated design is proved to be advantageous for a 10-pole reluctance motor. A comparative analysis with other rotor topologies was made, where motor performance, temperature e ects and production costs are taken into account. Detailed curves which describe eciency, power factor and current with respect to ambient temperature are studied for the proposed motor designs at di erent working points. The demagnetization risk is also taken into account and the safe working temperature ranges have been dened for all the considered motors. The results show that the initial motor design with 10 poles/12 slots PMaSynRM with NdFeB magnets has poor performance in terms of eciency and power factor, with huge amount of PM inserted. This is mainly due to the lack of reluctance torque for this relatively higher number of poles solution. Moreover, it has been found in literature and conrmed in this investigation that this negative e ect for the 10-pole motor is amplied due to the presence of the concentrated winding. Indeed, it is shown by simulations that the motor performance is improved by employing 8 poles/12 slots PMaSynRM conguration with a relatively lower NdFeB magnet amount, thanks to the improved rotor anisotropy. The 10 poles/12 slots interior permanent magnet (IPM) and surface mounted permanent magnet (SMPM) topologies present higher performance due to the e ective utilization of PM, mainly or completely producing the torque. Hence, IPM and SMPM do not su er the lack of anisotropy. / Syftet med detta examensarbete ar att utforma och analysera en FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industriella applikationer. Designprocessen omfattar analytiska berakningar (ursprungliga konstruktion och PM belopp minimering) och nita elementmetoden (FEM) baserad design optimering. En overkompenserad design visat sig vara fordelaktigt for en 10-polig reluktansmotor. En jamforande analys med andra rotor topologier gjordes, dar motor prestanda, temperature ekter och produktionskostnader beaktas. Detaljerade kurvor som beskriver e ektivitet, e ektfaktor och strom med avseende pa omgivningstemperatur studeras for de foreslagna motorn for vid olika arbetspunkter. Den avmagnetisering risken ocksa beaktas och sakerhetstemperaturomraden har denierats for alla ansag motorerna. Resultaten visar att den initiala motordesign med 10-polig/12 spar PMaSynRM med NdFeB magneter har daliga e ektivitet och e ektfaktor, med enorma mangder PM insatt. Detta ar framst pa grund av bristen pa reluktansvridmomentet for denna relativt hogre poltal losning. Dessutom har man funnit i litteraturen och bekraftat i denna unders okning att denna negativa e ekt for 10-polig motorn forstarks pa grund av narvaron av den koncentrerade lindningen. Faktum ar att det framgar av simuleringar att motorprestanda forbattras med en 8-polig/12 spar PMaSynRM konguration med en relativt lagre NdFeB magnet belopp, tack vare den forbattrade rotor anisotropi. Den 10-polig/12 spar interior permanentmagnet (IPM) och ytmonterade permanent magnet (SMPM) topologier presentera hogre prestanda tack vare ett e ektivt utnyttjande av PM och deras produktion vridmoment, huvudsakligen eller helt anfortrotts PM effekten.

L’exploration d’une nouvelle physique à l’échelle d’énergie des « Tera electron Volt » (TeV) nécessite de collisionner des leptons dans de grands accélérateurs linéaires à grande luminosité. Ces collisionneurs linéaires requiert une taille de faisceau à l’echelle nanométrique au Point d’Interaction (IP).Parmi les multiples effets participant à la degradation de la luminosité, la correction de la chromaticité, l’effet du rayonnement synchrotronique et la correction des erreurs dans la ligne sont parmi les trois effets à maîtriser afin de réduire la taille du faisceau dans la Section Finale de Focalisation (FFS).Cette these propose un nouveau schéma de correction de la chromaticitè que l’on appelera “non-entrelacé”, appliqué ici au projet CLIC. Lors de l’implementation de cette nouvelle methode, il a été mis en evidence que le probléme principal est la dispersion de deuxième ordre au Doublet Final (FD), qui traverse un sextupole utilisé pour annuler les composantes géometriques restantes.L’effet du rayonnement peut être evalué par méthode de tracking des particules ou par des approximations analytiques. Afin d’inclure ces effets du rayonnement et les paramétres optiques de la ligne pendant la conception et le processus d’optimisation, l’effet Oide et le rayonnement dû aux aimants dipolaires ont été etudiés.Le résultat analytique du rayonnement synchrotronique dans les aimants dipolaires fut generalisé dans les cas avec alpha et dispersion non-nulles à l’IP. Cette généralisation est utilisée pour améliorer le code de simulation PLACET.Le rayonnement dans les aimants quadripolaires finaux imposent une limite à la taille verticale minimale du faiceau, connu comme l’effet Oide. Celui-ci est uniquement important à 3 TeV, donc deux possibilités sont explorées pour atténuer sa contribution dans la taille du faisceau : doubler la longueur et réduire le gradient du dernièr quadripole (QD0), ou integrer une paire d’aimants octupolaires, un en amont et un en aval du QD0.Une partie des exigences du FFS pour les nouveaux collisionneurs linéaire à leptons est testée expérimentalement dans l’« Accelerator Test Facility » (ATF). La réduction de la taille du faisceau d’électrons en utilisant le schéma local de correction de la chromaticité est explorée dans une extension de la ligne originale, appellé ATF2, oú deux buts furent fixés : atteindre 37 nm de taille verticale du faisceau à l’IP, et stabiliser de l’ordre du nanomètre la position verticale du faisceau à l’IP. Depuis 2014, une taille de 44 nm avec un nombre de particules d’environ 0.1 × 10^10 par paquet est atteint de manière regulière.Des cavités radio-frequence seront utilisées pour la stabilisation du faisceau, et également pour détecter le déplacement/les fluctuations du faisceau au dehors la marge tolerable pour le systéme de mesure, ainsi que des erreurs non detectées dans l’optique.Un set de trois cavités furent installées et sont utilisées pour mesurer la trajectoire du faiceau dans la région de l’IP, fournissant ainsi des informations pour reconstruire la position et l’angle à l’IP. Les specifications pour l’optique nominale d’ATF2, i.e. 1 nm de résolution sur 10 μm de gamme dynamique à un nombre de particules de 1.0 × 10^10 par paquet, n’ont pas encore été atteint.La meilleur résolution atteinte jusqu’ici correspond à 50 nm pour 0.4 × 10^10 particules par paquet, où le bruit de l’éléctronique impose une limite de 10 nm par cavité sur la résolution. La gamme dynamique est de 10 μm à 0.4 × 10^10 particules par paquet et 10 dB d’attenuation du signal des cavités, nécéssitant de mettre l’électronique à niveau. Le test du système d’asservissement pour stabiliser le faisceau a atteint une réduction de la fluctuation jusqu’a 67 nm, compatible avec la résolution des cavités. / The exploration of new physics in the “Tera electron-Volt” (TeV) scale with precision measurements requires lepton colliders providing high luminosities to obtain enough statistics for the particle interaction analysis. In order to achieve design luminosity values, linear colliders feature nanometer beam spot sizes at the Interaction Point (IP).Three main issues to achieve the beam size demagnification in the Final Focus Section (FFS) of the accelerator are the chromaticity correction, the synchrotron radiation effects and the correction of the lattice errors.This thesis considers two aspects for linear colliders: push the limits of linear colliders design, in particular the chromaticity correction and the radiation effects at 3 TeV, and the instrumentation and experimental work on beam stabilization in a test facility.A new chromaticity correction scheme, called non-interleaved, is proposed to the local and non-local chromaticity corrections for CLIC. This lattice is designed and diagnosed, where the main issue in the current state of lattice design is the non-zero second order dispersion in the Final Doublet (FD) region where a strong sextupole is used to correct the remaining geometrical components.The radiation effect can be evaluated by tracking particles through the lattice or by analytical approximations during the design stage of the lattices. In order to include both, radiation and optic parameters, during the design optimization process, two particular radiation phenomena are reviewed: the Oide effect and the radiation caused by bending magnets .The analytical result of the radiation in bending magnets in was generalized to the case with non-zero alpha and non-zero dispersion at the IP, required during the design and luminosity optimization process. The closed solution for one dipole and one dipole with a drift is compared with the tracking code PLACET, resulting in the improvement of the tracking code results.The Oide effect sets a limit on the vertical beamsize due to the radiation in the final quadrupole. Only for CLIC 3 TeV this limit is significant, therefore two possibilities are explored to mitigate its contribution to beam size: double the length and reduce the QD0 gradient, or the integration of a pair of octupoles before and after QD0.Part of the requirements of the FFS for new linear accelerators are tested in The Accelerator Test Facility (ATF). The beam size reduction using the local chromaticity correction is explored by an extension of the original design, called ATF2 with two goals: achieve 37 nm of vertical beam size at the IP, and the stabilization of the IP beam position at the level of few nanometres. Since 2014 beam size of 44 nm are achieved as a regular basis at charges of about 0.1 × 10^10 particules per bunch.A set of three cavities (IPA, IPB and IPC), two upstream and one downstream of the nominal IP and on top of separate blocks of piezo-electric movers, were installed and are used to measure the beam trajectory in the IP region, thus providing enough information to reconstruct the bunch position and angle at the IP. These will be used to for beam stabilization and could detect beam drift/jitter beyond the tolerable margin and undetected optics mismatch affecting the beam size measurements. The specifications required of 1 nm resolution over 10 μm dynamic range at 1.0 × 10 10 particules per bunch with the ATF2 nominal optics have not been yet achieved.The minimum resolution achieved is just below 50 nm at 0.4 × 10^10 particules per bunch with a set of electronics impossing a noise limit on resolution of 10 nm per cavity. The dynamic range is 10 μm at 10 dB attenuation and 0.4 × 10^10 particules per bunch, indicating the need to upgrade theelectronics. The integration to the ATF tuning instruments is ongoing. Nonetheless, feedback has been tested resulting in reduction of beam jitterdown to 67 nm, compatible with resolution.

Ce travail porte sur la modélisation et le dimensionnement des moteurs à aimants permanents et asynchrones destinés à la propulsion marine par POD. Un état de l’art est présenté, où les différentes topologies de moteurs pour ce type d’application y sont abordées. La Machine à aimants permanents et la machine asynchrone on été retenue pour notre application. Dans le cas de la machine à aimants permanents, une analyse par éléments finis est effectuée pour dimensionner la machine à aimants permanents et minimiser les principaux harmoniques de la FÉM. Un modèle éléments finis 2D en magnétostatique couplé à un modèle circuit est développé pour la prédiction des couples pulsatoires dues aux harmoniques du convertisseur. En ce qui concerne la machine asynchrone, Pour tenir compte des harmoniques d’espace et évaluer leurs pertes, un modèle électromagnétique utilisant la résolution par éléments finis 2D en magnétodynamique couplé à un modèle circuit est développé. Par ailleurs, un autre modèle basé sur le principe de couplage éléments finis- circuit électrique est développé pour tenir compte des harmoniques de temps du variateur, ce modèle permet d’évaluer à la fois les pertes dues aux harmoniques de temps, mais aussi des couples pulsatoires. Dans la phase de validation et vérification des différents calculs, nous avons utilisé l’outil Flux2D de calcul par éléments finis qui tient compte de la rotation du rotor (pas à pas dans le temps) et effectué certaines mesures (cas de la machine à aimants permanents). Les résultats des calculs obtenus par les modèles développés concordent avec ceux obtenus par la méthode temporelle (pas à pas dans le temps) et les quelques mesures dont nous disposons / This work concerns the modeling and the design of the permanent magnets and asynchronous motors intended for POD ship propulsion. A state of the art is presented, where various topologies of motors designed for this application are approached there. The permanent magnet motor and the induction motor have been chosen for the application. For the permanent magnets motor, a finite element analysis is adopted to design and minimize the main harmonics leading to a quasi sinusoidal back EMF. A finite element model coupled to an electrical circuit allows to predict both current and torque waveforms including time harmonics knowing the voltage waveform of the inverter. The induction motor is designed in such a way to have minimum losses and pulsating torque. For this purpose, a 2D complex finite element method coupled to an electrical circuit is developed. In addition, another 2D finite element-electrical circuit model is proposed to evaluate time harmonics losses and to reconstitute the current and torque waveforms. This model allows to predict the pulsating torques. The validation and verification step is done by using a time stepping finite element software Flux2D and some available measurements (for the permanent magnets motor). The comparison of the calculations obtained by the different methods and software, as well as the available measurements is satisfactory

Dans la première partie de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressé à l’étude de l’anisotropie magnétique au sein de complexes mononucléaires de Ni(II) et de Co(II) pentacoordinés de géométrie allant de la pyramide à base carrée jusqu’à la bipyramide trigonale. Pour les complexes mononucléaires, nous avons montré que pour une géométrie donnée, la nature de l’ion métallique a une influence importante sur l’anisotropie magnétique.Nous avons étudié l’effet de la géométrie pour un même ion métallique. Dans le cas d’une géométrie bipyramidale trigonale (symétrie C3v), nous avons montré que le complexe de Co(II) possède un axe facile de l’aimantation et donc un blocage de l’aimantation qui conduisent à l’ouverture d’un cycle d’hystérèse à basse température. Ce type de complexe peut donc être utilisé pour le stockage de l’information. Dans la deuxième partie du travail, nous avons étudié les propriétés magnétiques de complexes binucléaires. Un complexe binucléaire de Co(II) pontés par deux Cl- présente un faible couplage ferromagnétique et un blocage de l’aimantation.Enfin, l’autre aspect de ce travail est de réaliser une molécule binucléaire où deux ions anisotropes, chacun possédant un axe facile de l’aimantation, soient faiblement couplés de manière antiferromagnétique. Pour ce faire, nous avons étudié des composés avec des ligands de type cryptant où la géométrie autour des Co(II) est bipyramide trigonale. Nous avons trouvé qu’avec un ligand pontant de type Cl- ou Br-, l’interaction d’échange est beaucoup plus importante que l’anisotropie locale des ions Co(II) conduisant à un comportement magnétique où les ions perdent leur caractère local. Ce travail ouvre la perspective de synthétiser le même type de complexes mais avec des ponts de plus grande taille pour diminuer l’intensité du couplage antiferromagnétique. / In the first part of this thesis, we studied the magnetic anisotropy of pentacoordinated mononuclear Ni(II) and Co(II) complexes possessing geometries from square pyramid to trigonal bipyramid. We have shown that, for a given geometry, the metal ion nature has an important influence on the magnetic anisotropy.Then, we studied for a given metal ion the effect of geometry on its magnetic anisotropy. In the case of a trigonal bipyramidal geometry (C3v symmetry), we showed that Co(II) has an Ising type anisotropy (easy axis of magnetization) and thus a blocking of magnetization that leads to an opening of a hysteresis cycle at low temperature. This type of complexes can be used for storing data albeit at low temperature.In the second part of the work, we studied the magnetic properties of binuclear complexes. A binuclear Co(II) complex bridged by two Cl- has a weak ferromagnetic coupling and a blocking of its magnetization.Finally, another aspect of this work was to design binuclear complexes, where two anisotropic ions having each one an easy axis of magnetization, are weakly antiferromagnetically coupled. To do this, we have studied compounds with cryptand ligands where the geometry around the Co (II) is trigonal bipyramid. We found that with a Cl- or Br- bridging ligand, the exchange interaction is much more important than the local anisotropy of Co(II) ions leading to a magnetic behavior where the ions lose their local character. This work opens up prospects for synthesizing the same type of complex but with larger bridges to decrease the intensity of the antiferromagnetic coupling.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n’est prise en compte qu’indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d’optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l’outil d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé. / This work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized by high power consumption during a short time. This work proposes a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into account the real limits of temperature during the operating cycle. The sizing strategy is composed of two steps. The first step is the sizing optimization of the actuator with the operating point of the cycle. In thisstep we allow high level of flux density and the level of current density in the conductors exceeds the usual level for the continuous operating of the machine. These two parameters can reduce significantly the volume of the machine. However in this step, the temperatures are node checked. The second step checks the temperatures in the machine by simulating the entire cycle. So suitable models for optimization tools are carried out and are a compromise between the time computing and the required accuracy. Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation in the machine by using the nodal network method has been carried out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation has been carried out and thermal model using too the nodal network method has been carried out. The thermal model is the main point for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This model takes account of the flux directions in 3d and provides a good estimation of the temperatures in the actuator particularly in the heat zones as the slots and the end-windings. These results are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special machine where thermocouples are implanted inside. We validated the thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory temperatures operation. Next, these models have been implemented in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle where the electrical machine has to operate on each operating points of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we canconclude that for a working on cycle, le external volume of the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature operation. Furthermore, the volume reduction of the iron in the machine induces a reduction of the iron losses and we can conclude that the mean efficiency during the cycle stays good.

SHF Photoelektroneninjektoren sind eine vielversprechende Elektronquelle für hochbrillante Teichenbeschleuniger mit hohem mittlerem Strom und kurzen Teilchenpulsen, wie FELs und ERLs. Für das ERL Projekt bERLinPro wurde einer unabhängige Testanlage GunLab entwickelt um die Leistungsfähigkeit der Injektoren und die Strahlparameter zu überprüfen. Darüber hinaus können neue Komponenten zur Strahldiagnose getestet werden. Die Hauptaufgabe von GunLab ist die Beschreibung des vollständigen sechsdimensionalen Phasenraums der Elektronen in Abhängigkeit aller Injektorparameter. Die Anlage besteht aus einer kompakten Diagnosestrahlführungan dem SHF Photoelektroneninjektoren und einem Kathodenlasersystem. Im Rahmen dieser Arbeit wurden analytische und numerische Studien zu den SHF Photoelektroneninjektoren durchgeführt, um zu erwartende Strahlparameter zu detektieren und die Anforderungen an die Strahldiagnose festzulegen. Darüber hinaus wurden verschiedene Emittanzbeiträge der einzelnen Injektorkomponenten untersucht. Diesbezüglich wurde das Magnetfeld des aktuellen Solenoiden kartiert und auf Asymmetrien getestet, die ebenfalls zu Emittanzvergrößerungen beitragen können. Eine der wesentlichen Komponenten der Diagnosestrahlführung ist das (transversale) Phasenraummesssystem, für das eine besondere Magnetgeometrie entwickelt wurde. Weitere Diagnose Komponenten sind ein optimierter Spektrometerdipol und eine transversal ablenkende Kavität, durch die sich zusammen mit zwei Quadrupolmagneten die Scheibenemittanz bestimmen lässt. Für GunLab wurden unterschiedliche optische Messsysteme entwickelt und optimiert. Der herausforderndste Aufbau ist dabei das Strahl-Halo Messsystem. Es ermöglicht die Beobachtung der transversalen Ladungsverteilung über einen Dynamikbereich von bis zu 6 Größenordnungen. Die Leistungsfähigkeit und die Auflösung aller Messsysteme und Messroutinen wurden bestimmt, um die Visualisierung des kompletten Phasenraums durch GunLab sicher zu stellen. / SRF photoelectron injectors are promising electron sources for high brightness accelerators with high average current and short pulse duration like FELs and ERLs. For the ERL project bERLinPro an independent test facility called GunLab was developed and set up to optimize the operation performance of SRF photoinjectors and the electron beam parameters. Furthermore, GunLab allows to investigate the operation of different kinds of photocathodes in the environment of an SRF accelerator and to study new beam diagnostic concepts. Of outmost importance is the characterization of the full six dimensional phase space as a function of all injector parameters. GunLab consists of the compact diagnostic beam line, connected to the SRF photoinjetor module, and a drive laser. In the context of this thesis, analytical and numerical investigations of the SRF photoinjector were performed to estimate beam parameter ranges and to determine the diagnostics requirements. Furthermore, various emittance contributors of the injector were determined. Thereby the magnetic field of the final designed solenoid was measured to determine field asymmetries, which are one major source of emittance growth. One of the central diagnostic components of the beamline is the (horizontal) phase space scanner system. For this purpose, a dedicated air-coil magnet design was developed. Additional diagnostic components include an optimized spectrometer system, a transverse deflecting cavity (TCav) and two quadrupole magnets, to determine longitudinal and sliced emittance. For GunLab different optical measurement systems were developed and optimized, the most challenging setup is a beam halo measurement system. This device is able to observe the transverse charge density with a dynamic range of up to 6 orders of magnitude. The performance and the resolution of all measurement systems and routines for GunLab were determined to ensure the visualization of the electron beam phase space.

In this work, low dimensional iron group clusters have been studied by application of high magnetic fields. The magnetization has been probed with an MPMS as function of temperature and field. The combination with pulse field measurements up to 52\,T allowed determination of the magnetic exchange coupling parameters, and to probing the effective spin of the ground state. The main focus was on tunable high-field/high-frequency (tHF) ESR in static fields < 17 T and pulse field ESR up to 36 T. This magnetic resonance method has been used for the characterization of the local magnetic properties: The detailed analysis of the field dependence of dedicated spin states allowed to determine the magnetic anisotropy and g-factors. The results were analyzed in the framework of the appropriate effective spin Hamiltonians in terms of magnetization fits and ESR spectrum simulations.

Τα ομομεταλικά σύμπλοκα που περιέχουν αποκλειστικά 3d μεταλλοϊόντα, καθώς και τα ετερομεταλλικά σύμπλοκα 3d/4f μεταλλοϊόντων αποτελούν σήμερα πόλο έλξης για τους ανόργανους χημικούς, λόγω των σημαντικών μαγνητικών, οπτικών και καταλυτικών τους ιδιοτήτων. Η χημεία των πολυπυρηνικών συμπλόκων (πλειάδων) των μετάλλων μετάπτωσης της 1ης Σειράς αποτελεί σήμερα ερευνητικό πεδίο αιχμής, καθώς προκύπτει από την αλληλοεπικάλυψη των επιστημών της Χημείας, της Βιολογίας και της Φυσικής, βρίσκοντας εφαρμογές σε τομείς όπως η Βιοανόργανη Χημεία, η Χημεία των Μοριακών Υλικών και η Νανοτεχνολογία. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μαγνητικές ιδιότητες των μοριακών πλειάδων μετά την ανακάλυψη του φαινομένου του Μονομοριακού Μαγνητισμού. Μαγνήτες Μοναδικού Μορίου, ΜΜΜ (Single Molecule Magnets, SMMs) είναι μοριακές πλειάδες οι οποίες μπορούν να διατηρούν το μαγνητικό προσανατολισμό τους, απουσία ενός μαγνητικού πεδίου, κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Οι ΜΜΜ αντιπροσωπεύουν τη μικρότερη συσκευή αποθήκευσης πληροφοριών με ποικιλία δυνητικών εφαρμογών. Πολλοί ΜΜΜ των 3d μετάλλων έχουν υψηλό ολικό σπιν στη θεμελιώδη κατάσταση, αλλά υστερούν σημαντικά στο θέμα της μαγνητικής ανισοτροπίας, όπως αυτή αντικατοπτρίζεται στη μικρή τιμή της παραμέτρου σχάσης μηδενικού πεδίου D. Τα λανθανίδια διαδραματίζουν έναν ιδιαίτερο ρόλο στο Μαγνητισμό, εξαιτίας της μεγάλης μαγνητικής ροπής τους, και στις περισσότερες των περιπτώσεων, λόγω της τεράστιας μαγνητικής τους ανισοτροπίας. Στην τρισθενή τους όμως οξειδωτική κατάσταση, που είναι και η πιο σταθερή, παρουσιάζουν το μειονέκτημα της πολύ ασθενούς αλληλεπίδρασης ανταλλαγής μεταξύ των μεταλλοϊόντων, ως αποτέλεσμα της αποτελεσματικής προάσπισης των ασυζεύκτων ηλεκτρονίων των 4f τροχιακών. Το γεγονός αυτό οδήγησε στη διερεύνηση συστημάτων που συνδυάζουν 4f ιόντα με άλλα παραμαγνητικά είδη, όπως οργανικές ρίζες ή 3d ιόντα. Έτσι, η ταυτόχρονη ύπαρξη των τρισθενών λανθανιδίων (LnIII) και 3d μεταλλοϊόντων μπορεί να βελτιώσει το Μονομοριακό Μαγνητισμό των πλειάδων ένταξης οδηγώντας σε μαγνητικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές των 3d πλειάδων. Η Διπλωματική Εργασία μας στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης «Αναλυτική Χημεία και Νανοτεχνολογία» αφορά τη χημεία των πλειάδων των 3d/4f- μεταλλοϊόντων. Στις προσπάθειές μας να συνθέσουμε ετερομεταλλικές πλειάδες Co ή Cu/LnΙΙΙ με υποκαταστάτες οξίμες (2-πυρίδυλο οξίμες, 2,4-πεντανιοδιόνη διοξίμη) και τη δι-2-πυρίδυλο κετόνη και τα παράγωγά της, απομονώσαμε και χαρακτηρίσαμε οικογένειες συμπλόκων μεταβάλλοντας κάθε φορά παραμέτρους της αντίδρασης, όπως τη φύση του οργανικού υποκαταστάτη, τον διαλύτη της αντίδρασης, την πηγή των μεταλλοϊόντων, τη θερμοκρασία, την πίεση, κ.α. Ως συνθετική πορεία χρησιμοποιήσαμε την “bottom-up” προσέγγιση. Η στρατηγική “bottom-up” χρησιμοποιεί τις χημικές ιδιότητες των διακριτών μορίων για να προκαλέσει: Α) Αυτο-οργάνωση ή αυτο-συναρμολόγηση σε μια χρήσιμη διαμόρφωση. Β) Οργάνωση σε συγκεκριμένη θέση. Η στρατηγική αυτή χρησιμοποιείται για τις έννοιες της μοριακής αυτο-οργάνωσης ή/και της μοριακής αναγνώρισης. Σε ευρύτερο επίπεδο, δηλαδή η “bottom-up” τεχνική δυνητικά μπορεί να παράγει παράλληλες συσκευές με πολύ φθηνότερους τρόπους σε σχέση με την “top-down” μέθοδο που χρησιμοποιείται ευρέως στη σύνθεση τεχνολογικού ενδιαφέροντος συσκευών. Η μοριακή αυτή προσέγγιση ξεκινά με χρήση πηγών ανεξάρτητων ατόμων ή μικρών μορίων για τη σύνθεση μεγάλων μοριακών νανοδομών με επιθυμητές και στοχευμένες ιδιότητες, με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται το πεδίο της Ναντεχνολογίας. Δύο γενικές προσεγγίσεις για τη σύνθεση συμπλόκων Co ή Cu/LnIII είναι: η στρατηγική που βασίζεται στη χρησιμοποίηση «μεταλλικών συμπλόκων ως υποκαταστατών» και η στρατηγική που βασίζεται στην «απλή ανάμιξη των συστατικών». Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία εφαρμόζεται η δεύτερη κατά σειρά προσέγγιση για την παρασκευή των παρακάτω συμπλόκων ενώσεων: [CoIII {(py)C(Η)NO}2{(py)C(Η)NOH}](ClO4) [CoIII2DyIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(DMF)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2GdIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(DMF)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2DyIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2GdIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2SmIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2TbIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIIIDyIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3] [CoIIIEuIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3] [CoIIISmIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3].0.3MeOH [CoIIITbIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3].0.3MeOH [CoIIIGdIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3].0.3MeOH [CoIII2Na{(py)C(Η)NO}6].(OMe) [CoIII2DyIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2GdIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2TbIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2PrIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2YIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [Cu2(diba)4(κινοξαλίνη)]n [Cu3Dy2{(py)2CO2}{(py)2CO(OMe)}3{(py)2CO(OEt)}(NO3)4(H2O)2](ClO4)(OH) [Cu6{(py)2CO(OMe)}6(NO3)2](ClO4)4 [Cu3{(py)2C(OMe)(OH)}2{(py)2C(OMe)O}2(ClO4)2] (ClO4)2 .2MeOH [Cu{(py)2C(OH){CH2COCH3)}2](NO3)2.2H2O Οι δομές των συμπλόκων προσδιορίσθηκαν με Κρυσταλλογραφία Ακτίνων Χ Μονοκρυστάλλου. Σε επιλεγμένα σύμπλοκα από αυτά που συνθέσαμε μελετώνται οι μαγνητικές τους ιδιότητες. Τα σύμπλοκα χαρακτηρίστηκαν με φυσικές και φασματοσκοπικές τεχνικές. Τα δεδομένα μελετήθηκαν σε σχέση με τις γνωστές δομές των συμπλόκων και των τρόπων ένταξης των υποκαταστατών. / Homometallic complexes which contain exclusively 3d metal ions and heterometallic complexes with 3d/4f metal ions attract, nowdays, the intense interest of inorganic chemists, due to their important magnetic, optical and catalytical properties. The chemistry of polynuclear complexes (clusters) of the 1st row transition metals is a cutting-edge research area, since combines the sciences of Chemistry, Biology and Physics with applications in the fields of Bioinorganic Chemistry, Chemistry of Molecular Materials and Nanotechnology. After the discovery of the phenomenon of Single Molecule Magntesism, the magnetic properties of molecular clusters are a growning research field. Single Molecule Magnets (SMMs) are molecular clusters which can retain their magnetic orientation, in the absence of a magnetic field, below a certain temperature. SMMs represent the smallest information storage devices with multiple potential applications. Many SMMs of 3d metals exhibit high total spin in the ground state, but their disadvantage is the low value of Zero Field Splitting (ZFS) parameter, D. Lanthanides play an important role in Magnetism, due to their large spin and in most cases huge magnetic anisotropy. In their trivalent oxidation state, which is the most stable, they have the disadvantage of the very weak exchange interactions between the metal ions, as a result of the efficient shielding of unpaired 4f electrons. This fact has led to the investigation of systems combining 4f-metal ions with other paramagnetic species, such as organic radicals or 3d-metal ions. Thus, the simultaneous presence of trivalent lanthanides (LnIII) and 3d metal ions can improve the Single Molecule Magnetism behavior of coordination clusters leading to magnetic properties different from those of 3d clusters. Our Diploma Work in the context of the M.Sc. in “Analytical Chemistry and Nanotechnology” concerns the chemistry of 3d/4f clusters. In our efforts to synthesize heterometallic clusters of Co or Cu/LnIII with oximes (2-pyridyl oximes, 2,4-pentanedione dioxime) and di-2-pyridyl ketone as ligands, we have isolated and characterized new families of complexes, studying various reaction parameters, such as the nature of the organic ligand, the solvent of the reaction, the source of the metal ions, the temperature, the pressure etc. As synthetic route, we have used the “bottom-up” approach. The “bottom-up” approach uses the chemical properties of discrete molecules in order to cause: a) Self-organization or Self-assembly in an interesting configuration. b) Assembly with a specific stereochemistry. This strategy is used for the concepts of molecular self-organization and/or molecular recognition. Hence in a broader sense, the “bottom-up” approach can produce potential applications in devices with cheaper ways in relation to the “top-down” approach which is used widely for the synthesis of devices with technological interest. This molecular approach begins with the use of independent sources of atoms or small molecules for the synthesis of large molecular nanostructures with preferential and targeted properties, developing though the field of Nanotechnology. Two general synthetic approaches for the synthesis of Co or Cu/LnIII complexes are: the strategy which is based on the use of “metal complexes as ligands” and the strategy based on the “simple mixing of components”. In this Diploma Work we have used the second approach for the synthesis of the below mentioned complexes: [CoIII {(py)C(Η)NO}2{(py)C(Η)NOH}](ClO4) [CoIII2DyIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(DMF)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2GdIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(DMF)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2DyIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2GdIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2SmIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIII2TbIII{(py)C(Η)NO}6(H2O)(MeOH)](ClO4)3.3.2H2O [CoIIIDyIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3] [CoIIIEuIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3] [CoIIISmIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3].0.3MeOH [CoIIITbIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3].0.3MeOH [CoIIIGdIII{(py)C(Ph)NO}3(NO3)3].0.3MeOH [CoIII2Na{(py)C(Η)NO}6].(OMe) [CoIII2DyIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2GdIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2TbIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2PrIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [CoIII2YIII2{(py)C(Η)NO}4(piv)4(NO3)4].2MeCN [Cu2(diba)4(quinoxaline)]n [Cu3Dy2{(py)2CO2}{(py)2CO(OMe)}3{(py)2CO(OEt)}(NO3)4(H2O)2](ClO4)(OH) [Cu6{(py)2CO(OMe)}6(NO3)2](ClO4)4 [Cu3{(py)2C(OMe)(OH)}2{(py)2C(OMe)O}2(ClO4)2] (ClO4)2 .2MeOH [Cu{(py)2C(OH){(CH2COCH3)}2](NO3)2.2H2O The structures of the complexes have been solved with Single Crystal X-ray Crystallography. The magnetic properties of selected compounds are investigated. The complexes have been characterized by several physical and spectroscopic techniques. The data are discussed in terms of the known structures of the complexes and the coordination modes of the ligands.

Neue elektrische Antriebskonzepte ermöglichen es, eine hohe Funktionalität in einem eingeschränkten Bauraum unterzubringen. Damit steigt auch in der Landwirtschaft das Interesse an elektrischen Antrieben. Die Projektgruppe Elektrische Maschinen und Antriebe der HTW Dresden beteiligt sich mit der TU Dresden an einem Projekt, bei dem beginnend mit der elektrisch angetriebenen Dreschtrommel umfassend an einem Mähdrescher untersucht wird, wie diese Antriebe in einzelne Funktionselemente integriert werden können. Neben der Auslegung der Antriebe werden Verfahren erarbeitet, die Verluste im Motor mit hoher Genauigkeit zu berechnen. So können in Zukunft passgenaue Kühlkonzepte für diese Antriebstechnik entwickelt werden. Anforderungen gerade im Bereich der Elektromobilität fordern den Blick für neue Materialien, deren elektromagnetisches und thermisches Verhalten werden in ihrem Einfluss auf die Erwärmung untersucht. Analytische und kombinierte Berechnungsmethoden in 2D-FEM gestatten die vereinfachte Rechnung unter Berücksichtigung von Grundwelle und entstehenden Harmonischen zu qualifizieren. Verlustberechnungen aus der transienten FEM-Rechnung ermöglichen diese Verbesserung. Die Methode wird am Beispiel der elektrischen Dreschtrommel mit den berechneten Verlustverteilungen beschrieben. Neue Methoden der 3D-FEM, wie sie die Software Ansys bietet, werden für die Nutzung von Einflüssen der Wirbelstromeffekte und in Auswertung für die Segmentierung von Permanentmagneten dargestellt. Die exemplarisch gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag für weitere Schneidwerksantriebe am Mähdrescher, aber auch darüber hinaus in Projekten mit Herstellern elektrischer Maschinen. / New concepts for electrical drives make it possible to put a high functionality into a restricted structural form. Thereby the interest in electrical drives increases also in the farming. The project team Electrical machines and drives of the HTW Dresden participates together with the TU Dresden in a project, where starting with the electrically driven threshing cylinder is comprehensively examined at a combine harvester, how these drives can be integrated into single function elements. Besides the dimensioning of the drives are developed methods to calculate losses in the engine with high precision. So custom-fit cooling concepts can be developed for this drive technology in future. Requirements just in the area of the electric mobility call looking for new materials, whose electromagnetic and thermic behavior are examined in her influence on the warming. Analytical and combined computation methods in 2D-FEM allow the simplified calculation under consideration of the fundamental wave and the arising harmonic ones. Loss calculations by means of the transient FEM calculation make possible this improvement. The method is described at the example of the electrical threshing cylinder with the calculated loss distributions. New methods of the 3D-FEM, as the software of Ansys offers, are presented for the use of influences of the eddy current effects and in evaluation for the segmentation of permanent magnets. The exemplarily got knowledge provides a contribution for further cut header drives at the combine but also furthermore in projects together with manufacturers of electrical machines.