Le sujet de thèse s’inscrit dans le cadre des stratégies visant à organiser des nanostructures, plus particulièrement les stratégies visant à augmenté la densité d’information dans les médias magnétique. Les techniques de synthèse en chimie douce utilisés au LPCNO-INSA on permet d’élaborer des nano-bâtonnets monocristallins de cobalt dont les propriétés ferromagnétiques en termes d’anisotropie et d’aimantation présentent un grand intérêt pour des applications dans le domaine du stockage magnétique. La maitrise de la croissance de ces nano-bâtonnets de Co organisés perpendiculairement sur un substrat peut permettre de réaliser un média de forte densité. Nous avons dans un premier temps vérifié la croissance perpendiculaire de nano bâtonnets de cobalt monocristallins sur une couche continue de Pt (111) épitaxiée sur un substrat de saphir (Al2O3) et montré que cette combinaison de deux types de dépôts (physique et chimique) donne effectivement lieu à un réseau dense et perpendiculaire de bâtonnets de Co. Pour but d’organiser cette croissance et découpler physiquement les bâtonnets de Co nous avons alors étudié la croissance de ces bâtonnets de Co sur des îlots 3D métalliques de Pt et de Co.En première partie nous avons étudié la structure cristalline, La morphologie, les distributions en taille et l’état des contraintes des îlots de Pt et Co déposée sur la surface (0001) du saphir et la surface (001) du MgO par pulvérisation cathodique. Et en deuxième partie, nous avons étudié la croissance des nano bâtonnets de Co sur les ilots de Pt et de Co maitrisés dans l’étape précédente / The subject of this thesis is to be part of strategies in order to organize nanostructures, particularly strategies to increase information density in magnetic media. The synthesis techniques used in chemistry (LPCNO-INSA laboratory) is allowed to develop monocrystalline nanorods of cobalt whose ferromagnetic properties in terms of anisotropy and magnetization present a great interest for applications in the field of magnetic storage. The success in controling the growth of these nanorods arranged perpendicularly on a substrate can lead to achieve a high density media. We tested the perpendicular growth of monocrystalline nanorods of cobalt on a continuous and epitaxial layer of Pt (111) grown on a substrate of sapphire (Al2O3) and showed that this combination of two types of deposits (physical and chemical) give actually a dense and perpendicular network of Co nanorods. In the aim to organizing this growth and decoupling physically the nanorods we studied the growth of these Co nanorods on 3D metallic islands of Pt and Co. In the first part we studied the crystal structure, morphology, size distributions and the stress state of Pt and Co islands deposited on the surface (0001) of sapphire and (001) surface of MgO by sputtering. And in the second part, we studied the growth of Co nanorods on a Pt and Co islands mastered in the previous step

La spintronique utilisant des matériaux semi-conducteurs est un sujet de recherche très actif. Elle permet de combiner le potentiel des semi-conducteurs avec le potentiel des matériaux magnétiques. Le GaN pourrait être un bon candidat pour des applications en spintronique car le temps de relaxation de spin est très long. La spintronique organique est également un domaine de recherche en plein essor en raison de la longue durée de vie de spin des porteurs de charge ainsi que de leur coût relativement bas, de leur flexibilité et de leur diversité chimique. Dans un premier temps, nous montrerons que la polarisation circulaire de la lumière émise par une LED contenant une couche unique de points quantiques InAs / GaAs (QD) InAs / GaAs dopés p peut atteindre environ 18% sans champ magnétique extérieur. Une corrélation claire est établie entre le degré de polarisation de la lumière émise et l’aimantation perpendiculaire de l’injecteur. La polarisation atteint un maximum pour une polarisation appliquée de 2.5 V à 10 K, ce qui correspond à un courant injecté de 6 µA. En outre, nous observons un comportement remarquable de la polarisation pour un température comprise entre 60K et 80K. L’évolution de la polarisation en fonction de la température est discutée à la lumière de la compétition entre le temps de vie de recombinaison radiative τr et le temps de relaxation de spin τs. De plus, nous avons développé un injecteur de spin présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire sur GaN. Nous avons d’abord optimisé la croissance de MgO pour différentes températures du substrat. Nous avons ensuite étudié la croissance de Fe puis de Co sur MgO/GaN. L’injecteur de spin Co(0001)/MgO(111) a été retenu car celui-ci permet d’obtenir un anisotropie magnétique perpendiculaire. De plus, les calculs ab initio ont également montré que l’interface Co/MgO(111) présente une grande anisotropie magnétique. Finalement, nous étudions les MFTJ basés sur une barrière de PVDF organique dopée avec des nano-particules de Fe3O4. Nous avons fabriqué avec succès une multicouche de La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co, dans laquelle la barrière organique en poly (fluorure de vinylidène) (PVDF) a été dopée avec des nanoparticules ferromagnétiques de Fe3O4. En modifiant la polarisation du PVDF, l’effet tunnel dans la jonction multiferroïque peut être commuté via la partie LSMO/PVDF/Co (polarisation positive) ou via la partie Fe3O4/PVDF/Co (polarisation négative). Cela correspond à une inversion de la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) de + 10% à -50%, respectivement. Notre étude montre que les jonctions tunnel multiferroïques organiques dopées avec des particules magnétiques pourraient créer de nouvelles fonctionnalités en jouant sur l’interaction du magnétisme des nanoparticules avec la ferroélectricité de la barrière organique. / Spintronics with semiconductors is very attractive as it can combine the potential of semiconductors with the potential of the magnetic materials. GaN has a long spin relaxation time, which could be of potential interest for spintronics applications. Organic spintronics is also very appealing because of the long spin lifetime of charge carriers in addition to their relatively low cost, flexibility, and chemical diversity. In this thesis, we investigate spin injection in spin LEDs containing either InAs/GaAs quantum dots or InGaN/GaN quantum wells. Moreover, we further study spin polarized transport in organic multiferroic tunnel junctions (OMFTJs). Firstly, we will show that the circular polarization of the light emitted by a LED containing a single layer of p-doped InAs/GaAs quantum dots (QDs) can reach about 18% under zero applied magnetic field. A clear correlation is established between the polarization degree of the emitted light and the perpendicular magnetization of the injector layer. The polarization reaches a maximum for an applied bias of 2.5V at 10K, which corresponds to an injected current of 6 µA. Also, we report a remarkable behavior of the polarization in the temperature region 60-80K. The interpretation of the bias and temperature dependence of the polarization is discussed in light of the competition between radiative recombination time τr and the spin relaxation time τs. In addition, significant efforts have been devoted to developing a perpendicular spin injector on GaN based materials to achieve spin injection without applying a magnetic field. Firstly, the growth of MgO has been investigated at various growth temperatures. Then, we studied the growth of either Fe or Co on MgO/GaN. In contrast to Fe/MgO, the Co/MgO spin injector yields a clear perpendicular magnetic anisotropy. In addition, ab-initio calculations have been performed to understand the origin of the perpendicular magnetic anisotropy at the Co/MgO(111) interface. Finally, we investigate multiferroic tunnel junctions (MFTJs) based on organic PVDF barriers doped with Fe3O4 nano particles. The organic MFTJs have recently attracted much attention since they can combine advantages of spintronics, organic and ferroelectric electronics. We report on the successful fabrication of La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co OMFTJ, where the poly(vinylidene fluoride) (PVDF) organic barrier has been doped with ferromagnetic Fe3O4 nanoparticles. By changing the polarization of the ferroelectric PVDF, the tunneling process in OMFTJ can be switched either through the LSMO/PVDF/Co part (positive polarization) or through the Fe3O4/PVDF/Co part (negative polarization). This corresponds to a reversal of tunneling magnetoresistance (TMR) from +10% to -50%, respectively. Our study shows that the doping of OMFTJs with magnetic nanoparticles can create new functionalities of organic spintronic devices by the interplay of nanoparticle magnetism with the ferroelectricity of the organic barrier.

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.

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Tunnelmagnetowiderstandselemente (MTJ) mit einer kristallinen MgO Tunnelbarriere zwischen amorphen CoFeB-Elektroden haben Aufgrund ihres hohen Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) und der guten Integrationsmöglichkeit in bestehende Prozesse viel Aufmerksamkeit bekommen. Dabei zeigten vorherige Berechnungen, dass die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Grenzfläche einen signifikanten Einfluss auf den TMR aufweisen, weshalb diese Grenzfläche im Rahmen dieser Arbeit mittels quantitativer, hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie analysiert wurde. Um einen hohen TMR in die diesen Systemen zu erzielen ist ein kristalliner Übergang zwischen der Tunnelbarriere und den Elektroden notwendig. Berechnungen zeigten, dass bereits wenige Monolagen kristallinen Materials an der Grenzfläche ausreichen, um einen hohen TMR in diesen Systemen zu erzielen. Ausgehend von diesen Berechnungen wurde die Mikrostruktur auf der Subnanometer-Skala an der kristallin/amorphen Grenzfläche von MgO-CoFeB in dieser Arbeit untersucht. Die experimentellen Daten wurden hierfür mittels aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) an Modellsystemproben erstellt und die vom MgO induzierte kristalline Ordnung an der Grenzfläche zum CoFeB mittels iterativen Bildserienvergleichs mit simulierten Daten quantifiziert. Zur Simulation der HRTEM-Grenzflächenabbildungen wurde die „Averaged-Projected-Potential“-Näherung genutzt, welche im Rahmen dieser Arbeit um die Berücksichtigung von monoatomaren Stufen entlang der Strahlrichtung des Mikroskops erweitert wurde. Es zeigte sich, dass mit dieser Methode die Ordnung an der MgO-CoFeB-Grenzfläche von nicht ausgelagerten Systemen gut beschrieben werden kann. In ausgelagerten Systemen kommt es dagegen zu einer Bor-diffusion aus dem a-CoFeB heraus um damit eine Kristallisation am MgO zu ermöglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Bordiffusion und die Kristallisation in Abhängigkeit von der Deckschicht als auch der MgO-Depositionsmethode sowohl an Modellsystemproben als auch an funktionsfähigen MTJs untersucht. Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (EELS) an diesen Proben konnten zeigen, dass sowohl die Deckschicht also auch die MgO-Depositionsmethode einen entscheidenden Einfluss auf die Bor-Diffusion in diesen Systemen ausüben.

This thesis discusses spin-transfer torques in MgO-based magnetic tunnel junctions. The voltage-field switching phase diagrams have been experimentally determined for in-plane CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions. In order to limit the effect of thermal activation, experiments have been carried out using nanosecond voltage pulses, as well as at low-temperature (4.2 K). The bias-dependence of the two spin-torque terms (Slonczewski-like and field-like) has been determined from thermally-excited ferromagnetic resonance measurements, yielding values which are in good agreement with previous reports. Additionally, material parameters such as the effective magnetisation and the damping factor have also been extracted. Using these values as input, the switching voltages as function of the applied magnetic field have been calculated numerically and analytically by solving the modified Landau-Lifshitz-Gilbert equation. Unlike previous studies, the field-like spin-torque has also been included. Moreover, different configurations have been considered for the magnetic anisotropy directions of the reference and free layer, respectively. / Diese Arbeit befasst sich mit Spin-Transfer-Torque-Effekten in MgO-basierten magnetischen Tunnelstrukturen. Die Phasendiagramme als Funktion von Spannung und Magnetfeld von CoFeB/MgO/CoFeB-Tunnelstrukturen mit Magnetisierung in der Ebene wurden experimentell bestimmt. Um thermische Anregungseffekte zu limitieren, wurden die Experimente einerseits mit nanosekundenlangen Spannungspulsen und andererseits bei niedrigen Temperaturen (4.2 K) durchgeführt. Die Spannungsabhängigkeit der beiden Spin-Torque-Parameter (in-plane und senkrechter Spin-Transfer-Torque) wurde aus Messungen der thermisch angeregten ferromagnetischen Resonanz bestimmt, wobei sich Werte ergaben, die gut mit vorangegangenen Untersuchungen übereinstimmen. Zusätzlich wurden Werte für Materialparameter wie die effektive Magnetisierung und den Dämpfungsparameter gewonnen. Unter Verwendung der erhaltenen Werte wurden die Schaltspannungen als Funktion des angelegten Magnetfeldes analytisch und numerisch berechnet, indem die erweiterte Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung gelöst wurde. Im Gegensatz zu vorangegangenen Untersuchungen wurde der senkrechte Spin-Transfer-Torque dabei mit einbezogen. Darüber hinaus wurden verschiedene Konfigurationen für die Richtung der magnetischen Anisotropie der freien und fixierten Schicht berücksichtigt.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-05T17:36:02Z No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvin.pdf: 3200596 bytes, checksum: 01129a5b7d70b7b3e44dd871c5c77b1d (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-17T13:41:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvin.pdf: 3200596 bytes, checksum: 01129a5b7d70b7b3e44dd871c5c77b1d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-17T13:41:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 raphaeldasilvaalvin.pdf: 3200596 bytes, checksum: 01129a5b7d70b7b3e44dd871c5c77b1d (MD5) Previous issue date: 2009-02-19 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os organofosforados encontram aplicações na indústria, nas áreas de corantes, vernizes, couro artificial, isolantes elétricos, impermeabilizantes, plásticos, aditivos de petróleo e dissolventes; também são usados na medicina no tratamento de doenças, como o glaucoma; no uso doméstico e na agricultura encontram aplicabilidade como inseticidas e pesticidas. Além dessas várias utilidades civis, os organofosforados são utilizados, também, como armas químicas de destruição em massa, e possuem estrutura similar àquelas dos compostos utilizados como inseticidas e pesticidas. No caso do VX, um organofosforado utilizado como arma química, a quebra da ligação P­S é essencial na sua degradação química. Embora muitas reações químicas possam ser empregadas para decompor agentes químicos de guerra, somente algumas podem ser utilizadas na prática em uma neutralização, porque estas reações precisam ser simples e os reagentes empregados devem ser estáveis, baratos e de baixa massa molecular. No entanto, muitas das reações que podem ser úteis para a neutralização do agente neurotóxico VX ainda seguem em discussão em recentes pesquisas, mas na maioria delas se limita alguns sucessos a hidrólise catalisada. Nesta dissertação foram estudados processos de hidrólise catalisada do agente VX por MgO(001) por meio de cálculos ab initio. Foi utilizado o programa PWscf ­ Plane­Waves Self Consistent Field. O PWscf utiliza a Teoria do Funcional da Densidade, a partir de um conjunto de base de autofunções dado por ondas planas e pseudopotenciais. Entre outros atributos, este código é capaz de calcular a energia do estado fundamental dos orbitais de Kohn­Sham para um elétron, além de forças atômicas em diferentes condições de tensão, otimização estrutural e estado de transição. A molécula de VX foi substituída por uma molécula menor, chamada de p­VX, em que foram substituídos alguns radicais do VX por grupos metila. Isto foi feito para diminuir o tamanho da molécula, que reduzirá o custo computacional, mas sem afetar substancialmente a química do problema, o estudo da quebra da ligação P­S. O mecanismo de hidrólise proposto esta relacionado com a quebra heterolítica da ligação P­S, com a conseqüente formação de íons intermediários R­P+ e R'­S­, estes, por sua vez, estabilizados por quimissorção na superfície de MgO(001). Em conjunto com essa reação, acontece a dissociação de moléculas de água para a formação dos íons H+ e HO­, cujos íons também são estabilizados na superfície de MgO(001). O passo final é a recombinação desses íons, para gerar os produtos de hidrólise R­POH e R'­SH, seguida pelo processo de dessorção destas moléculas da superfície do catalisador. Para a reação global de hidrólise da molécula de p­VX, a variação da energia interna foi calculada em ­5,66kcal/mol. Foram determinadas as estruturas dos íons R­P+ e R'­S­ estabilizados sobre a superfície de MgO(001), com uma energia de formação calculada em ­0,20kcal/mol, indicando que os intermediários teriam boa estabilidade sobre a superfície se comparados com a molécula de p­VX original. Na quimissorção dissociativa de moléculas de água sobre a superfície de MgO(001), verificou­se que os íons formados somente ficam estabilizados se estiverem a uma distância mínima de 4,70Å. Qualquer distância abaixo desta levará a formação da molécula de água novamente. No processo envolvendo duas moléculas de água, apenas uma delas se dissocia, enquanto a outra estabiliza os íons formados via ligação de hidrogênio. A molécula não dissociada também interage com um sítio superficial de magnésio. Este resultado foi comprovado pelos cálculos de diferença de densidade de carga eletrônica do sistema, determinação do caminho de reação, onde este obteve uma barreira energética calculada em 5,55kcal/mol para a reação direta e em 7,53kcal/mol para a reação inversa, e pela dissociação parcial utilizando um trímero de moléculas de água, com energia calculada em ­5,40kcal/mol. Os resultados permitem concluir que o mecanismo proposto para a hidrólise catalisada do agente neurotóxico VX pelo MgO é possível. Os modelos construídos podem ser modificados para testes de novos catalisadores com estrutura tipo MgO, via adição de defeitos ou dopantes à superfície da estrutura cristalina, visando a elaboração de catalisadores mais eficientes para a reação de hidrólise com o mesmo mecanismo. / The organophosphates are used in industry, in the fields of dyes, varnishes, artificial leather, electrical insulation, waterproofing, plastics, oil additives and solvents, are also used in medicine to treat diseases such as glaucoma, in the household and in agriculture are applied as insecticides and pesticides. Besides these various civilian facilities, the organophosphates are used as well as chemical weapons of mass destruction, and have similar structure to those of compounds used as insecticides and pesticides. In the case of VX, an organophosphate used as a chemical weapon, the fall in P­S binding is essential in its chemical degradation. Although many chemical reactions can be used to decompose the chemical agents of war, only some can be used in practice in a breakthrough, because these reactions need to be simple and the reagents used should be stable, inexpensive and low molecular weight. However, many of the reactions that may be useful for the neutralization of the neurotoxic VX agent still follow under discussion in recent polls, but most of them are confined to some successes catalyzed hydrolysis. In this dissertation we studied processes of the VX agent catalyzed hydrolysis by MgO (001) by means of ab initio calculations. We used the program PWscf ­ Plane Waves Self­Consistent Field. The PWscf using the Density Functional Theory from a set of basic autofunction given by plane waves and pseudopotentials. Among other attributes, this code is able to calculate the energy of the ground state of the Kohn­Sham orbital for an electron, and atomic force under different conditions of stress, structural optimization and transition state. The VX molecule was replaced by a smaller molecule, called a p­VX, which replaced some of the radicals VX for methyl groups. This was done to reduce the size of the molecule, which reduces the computational cost, but not substantially affect the chemistry of the problem, the study of breaking the link P­S. The proposed mechanism of hydrolysis is related to the breaking of the link heterolytic P­S, with the consequent formation of intermediate ion R­P+ and R'­S­, they, in turn, stabilized by quimissorption the MgO(0010 surface. Together with this reaction, is the dissociation of water molecules to the formation of ions H+ and HO­, whose ions are stabilized on the MgO(001) surface. The final step is the recombination of these ions, to generate products of hydrolysis and R­POH and R'­SH, followed by the process of desorption of molecules from the surface of the catalyst. For the overall reaction of hydrolysis of the molecule p­VX, the variation of internal energy was calculated to be ­5.66 kcal/mol. Were determined the structures of ion R­P+ and R'­S­ stabilized on the MgO(001) surface, with an formation energy calculated at ­0.20 kcal/mol, indicating that the middlemen have good stability on the surface is compared with the p­VX molecule original. In dissociative quimissorption of water molecules on the MgO(001) surface, it was found that the ions formed are stable only if a minimum distance of 4.70 Å. Any distance below this will lead to formation of the water molecule again. In the process involving two water molecules, only one is dissociated, while the other ions stabilizes by the hydrogen bonding formed. The non­dissociated molecule also interacts with a surface site of magnesium. This result was confirmed by the calculations of load density difference of the system, determining the reaction path, where he obtained a energy barrier calculated at 5.55 kcal/mol for the direct reaction and 7.53 kcal/mol for the reverse reaction and by partial decoupling using a trimer of water molecules, with energy calculated at ­5.40 kcal/mol. The results show that the proposed mechanism for the catalyzed hydrolysis of the neurotoxic agent VX by MgO is possible. The models constructed can be modified for testing of new catalysts with MgO type structure, via addition of doping or defects on the surface of the crystal structure, to the development of more efficient catalysts for the hydrolysis reaction with the same mechanism.

Magnetický tunelový spoj (MTJ) je spintronická součástka komerčně používaná ve vysoce citlivých čtecích hlavách pevných disků. Počínaje rokem 2007 přispěla k udržení exponenciálního nárůstu hustoty magnetického zápisu. Kromě toho se také stala stavebním kamenem rychlé, odolné, úsporné a nevolatilní magnetické paměti s přímým přístupem (MRAM). Tento nový typ polovodičové paměti, stejně jako je tomu u čtecích hlav disků, využívá tunelové spoje založené na krystalickém oxidu hořečnatém (MgO) spolu s 3d kovovými magnetickými prvky (Fe a Co). Pro zmenšení MTJ a současné udržení dlouhodobé stability paměti proti tepelným fluktuacím je zapotřebí silná magnetická anizotropie ve směru kolmém na rozhraní kov|MgO. V této práci proto nejdříve provedeme analýzu magnetokrystalické anizotropie (MCA) kubického prostorově centrovaného Fe, Co a Ni na MgO pomocí ab initio simulací. Dále bude vyvinut program pro výpočet tvarové anizotropie, která je kromě MCA velmi podstatná, neboť v součtu dávají efektivní anizotropii. Na závěr implementujeme program pro výpočet MCA na základě poruchové teorie druhého řádu. To nám umožní dát pozorované anizotropní vlastnosti do souvislosti přímo s elektronickou strukturou systému (pásovou strukturou a hustotou stavů).

This thesis discusses spin-transfer torques in MgO-based magnetic tunnel junctions. The voltage-field switching phase diagrams have been experimentally determined for in-plane CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions. In order to limit the effect of thermal activation, experiments have been carried out using nanosecond voltage pulses, as well as at low-temperature (4.2 K). The bias-dependence of the two spin-torque terms (Slonczewski-like and field-like) has been determined from thermally-excited ferromagnetic resonance measurements, yielding values which are in good agreement with previous reports. Additionally, material parameters such as the effective magnetisation and the damping factor have also been extracted. Using these values as input, the switching voltages as function of the applied magnetic field have been calculated numerically and analytically by solving the modified Landau-Lifshitz-Gilbert equation. Unlike previous studies, the field-like spin-torque has also been included. Moreover, different configurations have been considered for the magnetic anisotropy directions of the reference and free layer, respectively.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Magnetoresistance 2.1.1 Giant magnetoresistance 2.1.2 Tunnel magnetoresistance 2.2 Spin-transfer torque effect 2.2.1 Physical picture of the STT 2.2.2 In-plane and perpendicular STT 2.3 Equation of motion for the magnetisation 2.3.1 The Landau-Lifshitz-Gilbert equation 2.3.2 Extension including spin-transfer-torque (LLGS) 2.4 Applications of MR and spin-transfer torque 2.4.1 Read heads in hard disk drives 2.4.2 Spin-transfer torque magnetic random access memory 2.5 STT effects in magnetic tunnel junctions 2.5.1 Current-induced switching 2.5.2 Magnetisation precession 2.5.3 Bias-dependence of STT 2.5.4 Back-hopping 3 Experimental 3.1 Samples 3.1.1 Stack composition 3.1.2 Properties of samples used in this work 3.2 Experimental setup 3.2.1 Overview of equipment for the different measurement techniques 3.2.2 Electromagnet and Kepco power supply 3.2.3 Contacting of the sample 3.2.4 Principle specifications of equipment 3.3 Experimental techniques 3.3.1 Measurement of DC R-H and R-I loops 3.3.2 Measurement of phase diagrams: off and on-pulse 3.3.3 Thermally-excited ferromagnetic resonance 4 Results and discussion 4.1 Switching phase diagrams of MTJs 4.1.1 Theory: Calculating the phase diagram 4.1.2 Experimental phase diagrams 4.2 Thermally excited ferromagnetic resonance 4.2.1 Smoothing and fitting of raw data 4.2.2 Determination of Ms 4.2.3 Signal evolution with bias voltage 4.2.4 Analysis of peak position: perpendicular STT 4.2.5 Analysis of peak linewidth 5 Summary and outlook A Appendix List of figures List of tables Bibliography / Diese Arbeit befasst sich mit Spin-Transfer-Torque-Effekten in MgO-basierten magnetischen Tunnelstrukturen. Die Phasendiagramme als Funktion von Spannung und Magnetfeld von CoFeB/MgO/CoFeB-Tunnelstrukturen mit Magnetisierung in der Ebene wurden experimentell bestimmt. Um thermische Anregungseffekte zu limitieren, wurden die Experimente einerseits mit nanosekundenlangen Spannungspulsen und andererseits bei niedrigen Temperaturen (4.2 K) durchgeführt. Die Spannungsabhängigkeit der beiden Spin-Torque-Parameter (in-plane und senkrechter Spin-Transfer-Torque) wurde aus Messungen der thermisch angeregten ferromagnetischen Resonanz bestimmt, wobei sich Werte ergaben, die gut mit vorangegangenen Untersuchungen übereinstimmen. Zusätzlich wurden Werte für Materialparameter wie die effektive Magnetisierung und den Dämpfungsparameter gewonnen. Unter Verwendung der erhaltenen Werte wurden die Schaltspannungen als Funktion des angelegten Magnetfeldes analytisch und numerisch berechnet, indem die erweiterte Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung gelöst wurde. Im Gegensatz zu vorangegangenen Untersuchungen wurde der senkrechte Spin-Transfer-Torque dabei mit einbezogen. Darüber hinaus wurden verschiedene Konfigurationen für die Richtung der magnetischen Anisotropie der freien und fixierten Schicht berücksichtigt.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Magnetoresistance 2.1.1 Giant magnetoresistance 2.1.2 Tunnel magnetoresistance 2.2 Spin-transfer torque effect 2.2.1 Physical picture of the STT 2.2.2 In-plane and perpendicular STT 2.3 Equation of motion for the magnetisation 2.3.1 The Landau-Lifshitz-Gilbert equation 2.3.2 Extension including spin-transfer-torque (LLGS) 2.4 Applications of MR and spin-transfer torque 2.4.1 Read heads in hard disk drives 2.4.2 Spin-transfer torque magnetic random access memory 2.5 STT effects in magnetic tunnel junctions 2.5.1 Current-induced switching 2.5.2 Magnetisation precession 2.5.3 Bias-dependence of STT 2.5.4 Back-hopping 3 Experimental 3.1 Samples 3.1.1 Stack composition 3.1.2 Properties of samples used in this work 3.2 Experimental setup 3.2.1 Overview of equipment for the different measurement techniques 3.2.2 Electromagnet and Kepco power supply 3.2.3 Contacting of the sample 3.2.4 Principle specifications of equipment 3.3 Experimental techniques 3.3.1 Measurement of DC R-H and R-I loops 3.3.2 Measurement of phase diagrams: off and on-pulse 3.3.3 Thermally-excited ferromagnetic resonance 4 Results and discussion 4.1 Switching phase diagrams of MTJs 4.1.1 Theory: Calculating the phase diagram 4.1.2 Experimental phase diagrams 4.2 Thermally excited ferromagnetic resonance 4.2.1 Smoothing and fitting of raw data 4.2.2 Determination of Ms 4.2.3 Signal evolution with bias voltage 4.2.4 Analysis of peak position: perpendicular STT 4.2.5 Analysis of peak linewidth 5 Summary and outlook A Appendix List of figures List of tables Bibliography

Die vorliegende Arbeit behandelt Aspekte der Verschlackung von MgO in sekundärmetall-urgischen Schlacken. Mittels FactSage© wird eine Berechnung der Löslichkeit von MgO in Kalksilikat- und Kalkaluminatschlacke bei 1600, 1650 und 1700°C durchgeführt. Die Ergebnisse werden leicht handhab- und ablesbar dargestellt. Die Verschlackung eines porösen MgO-Probekörpers in einer an MgO ungesättigten und an MgO gesättigten Kalkaluminat-schlacke wird bei 1600°C thermogravimetrisch verfolgt. Der Verschlackungsvorgang wird maßgeblich durch die Mechanismen der Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung in der infiltrierten Mikrostruktur beeinflusst. Das komplexe Zusammenspiel von Zerfall und Auflösung wird nach einem Modell von W. Gans an feuerfestes Material (MgO) angepasst und modelliert. Der Einfluss von Teilchendesintegration und Ostwald-Reifung auf den voreilenden Verschleiß im 3-Phasenkontakt (Marangoni-Konvektion) wird quantifiziert. Ferner wird ein einfaches Modell zur Abschätzung des voreilenden Verschleißes dargelegt.