Die Arbeit untersucht das Orientierungsverhalten von niedermolekularen thermotropen nematischen Flüssigkristallen in externen elektrischen und magnetischen Feldern. Mit einer Kombination von Protonen- und Fluor-NMR-Experimenten und Orientierungsexperimenten in elektrischen Feldern wird eine Vielzahl von dynamischen Prozessen in einem Zeitbereich von 100 ms bis 100 us untersucht. Der erste Teil der Arbeit enthält eine Beschreibung des experimentellen Aufbaus für eine elektrische Steuerung von Orientierungsexperimenten im Magnetfeld eines NMR-Spektrometers. Die verschiedenen Komponenten zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, zur Automatisierung des Meßablaufs und zur Synchronisation mit dem NMR-Spektrometer werden vorgestellt. Dabei wird auf die Schwierigkeiten bei NMR-Messungen an dünnen Kondensatorproben eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit folgt eine Untersuchung verschiedener dynamischer Prozesse in nematischen Flüssigkristallen. Durch die Kombination von elektrisch induzierten Prozessen mit unterschiedlichen Spannungsimpulsen kann ein sehr weiter Zeitbereich, der sich bis zu minimalen Orientierungszeiten von etwa 50 us erstreckt, erfaßt werden. Eine Analyse dieser Experimente erlaubt Rückschlüsse auf die Natur des dynamischen Prozesses wie z. B. den Übergang von homogenen zu inhomogenen Prozessen und ergibt eine Reihe von Materialparametern. Die zeitaufgelöste Messung der Orientierungsprozesse erfolgt mit verschiedenen, speziell für die Anwendung in elektrischen Feldern entwickelten NMR-Techniken. In einer Reihe von Protonen- und Fluor-Messungen werden die dipolare Dublettaufspaltung und die chemische Verschiebung als Funktionen des Winkels zwischen dem nematischen Direktor und dem Magnetfeld untersucht. Dabei nimmt die Linienbreite der Protonen-Spektren von ca. 30 kHz auf unter 300 Hz ab, und die Position der Fluor chemischen Verschiebung variiert in einem Bereich von etwa 10 kHz. / Electrically Induced Dynamic Processes in Liquid Crystals Investigated by Means of NMR --------------------------------------------------------- Within the thesis reorientation processes of thermotropic low molar mass nematic liquid crystals are described. Dynamic processes in external electric and magnetic fields are investigated by means of proton and fluorine NMR. A combination of different reorientation experiments with NMR methods allows the direct observation of the director dynamics on a timescale from 100 milliseconds to 100 microseconds. The first part provides a detailed description of the experimental setup. The reorientation experiments in the magnetic field of the NMR spectrometer are induced by high voltage pulses. The different parts of the high voltage supply are specified together with the synchronisation with the NMR experiment and several automation techniques. Some difficulties related to the usage of thin capacitor cells as NMR samples are discussed. The second part deals with different types of dynamic processes in nematic liquid crystals. The reorientation dynamics can be changed in a wide range by varying the electric excitation. Reorientation times down to 50 us are possible. Special time resolved NMR techniques provide the dipolar splitting and the chemical shift as a function of the orientational state. The proton linewidth changes in such an experiment from approx. 30 kHz to less than 300 Hz, the position of the fluorine chemical shift varies within a range of 10 kHz. These results yield a multitude of material parameters and provide information about the underlying dynamic process which may be e.g. homogeneous or inhomogeneous.

Thesis (doctoral)--Universität Bremen, 2005. / Includes bibliographical references (p. 113-125).

In ungeordneten Fe70Pd30-Strukturen ermöglicht eine martensitische Umwandlung den magnetischen Formgedächtniseffekt, der in Aktoren genutzt werden kann. Der inverse Effekt kann für hochempfindliche Dehnungsmessungen verwendet werden. Eine Miniaturisierung zu Schichten ermöglicht Anwendungen in mikro- und nanoelektromechanischen Systemen. Ziel dieser Arbeit ist es, die magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Struktur zu bestimmen und die gewünschte Kombination aus beiden auf dickere Schichten zu übertragen. In Kapitel 2 werden die strukturellen Aspekte im Fe-Pd-System und die Besonderheiten des Wachstums dünner Schichten betrachtet. In Kapitel 3 werden die Schichtherstellung mittels Kathodenzerstäubung und die verschiedenen Charakterisierungsmethoden kurz vorgestellt. Kapitel 4 zeigt den Einfluss durch verschiedene Zwischenschichten mit unterschiedlichen Gitterparametern auf die Kristall- und Elektronenstruktur sowie auf die magnetischen Eigenschaften von dünnen, epitaktischen Fe-Pd-Cu-Schichten. Untersuchungen zur kritischen Schichtdicke und Relaxationsmechanismen stehen in Kapitel 5 im Vordergrund. In Kapitel 6 wird die kombinatorische Schichtherstellung vorgestellt, die eine systematische Variation von Struktur und Zusammensetzung für eine praxisnahe Anwendung erlaubt. Außerdem werden Ergebnisse zu freien Schichten gezeigt und der Einfluss des Ablösens auf Morphologie und Struktur diskutiert.

Molecule-based magnets (molecular magnets) have attracted much interest in recent decades both from an experimental and from a theoretical point of view, not only because of their interesting physical effects, but also because of their potential applications: e.g., molecular spintronics, quantum computing, high density information storage, and nanomedicine. Molecular magnets are at the very bottom of the possible size of nanomagnets. On reducing the size of objects down to the nanoscale, the coexistence of classical properties and quantum properties in these systems may be observed. In additional, molecular magnets exist with structural variability and permit selective substitution of the ligands in order to alter their magnetic properties. Therefore, these characteristics make such molecules suitable candidates for studying molecular magnetism. They can be used as model systems for a detailed understanding of interplay between structural and magnetic properties of them in order to optimize desired magnetic properties. This thesis considers the investigation of magnetic properties of several new transition metal molecular compounds via different experimental techniques (continuous wave electron spin resonance (CW ESR), pulse ESR, high-field/high-frequency ESR (HF-ESR) and static magnetization techniques). The first studied compounds were mono- and trinuclear Cu(II)-(oxamato, oxamidato)/bis(oxamidato) type compounds. First, all components of the g-tensor and the tensors of onsite ACu and transferred AN HF interactions of mononuclear Cu(II)- bis(oxamidato) compounds have been determined from CW ESR measurements at 10 GHz and at room temperature and pulse ELDOR detected NMR measurements at 35 GHz and at 20 K. The spin density distributions of the mononuclear compounds have been calculated from the experimentally obtained HF tensors. The magnetic exchange constants J of their corresponding trinuclear compounds were determined from susceptibility measurements versus temperature. Our discussion of the spin density distribution of the mononuclear compounds together with the results of the magnetic characterization of their corresponding trinuclear compounds show that the spin population of the mononuclear compounds is in interplay with the J values of their corresponding trinuclear compounds. The second studied compounds were polynuclear Cu(II)-(bis)oxamato compounds with ferrocene and ferrocenium ligands. The magnetic properties of these compounds were studied by susceptibility measurements versus temperature to determine J values. In addition, the ESR technique is used to investigate the magnetic properties of the studied compounds because they contain two different magnetic ions and because only the ESR technique can selectively excite different electron spin species. These studies together with geometries of the ferrocenium ligands determined by crystallographic studies indicate that the magnetic interaction between a central Cu(II) and a Fe(III) ions changed from the antiferromagnetic coupling to the ferromagnetic coupling when a stronger distortion of the axial symmetry in the feroccenium cation exists. Therefore, the degree of the distortion of the feroccenium cation is a control parameter for the sign of the interaction between the central Cu(II) ion and the Fe(III) spins of the studied compounds. The last two studied molecular magnets were a binuclear Ni(II) compound (Ni(II)-dimer) and a cube-like tetranuclear compound with a [Fe4O4]-cube core (Fe4-cube). HF-ESR measurements enabled us to determine the g-factor, the sign, and the absolute value of the magnetic anisotropy parameters. Using this information together with static magnetization measurements, the J value and the magnetic ground state of the studied compounds have been determined. In Ni(II)-dimer, two Ni(II) ions, each having a spin S = 1, are coupled antiferromagnetically that leads to a ground state with total spin Stot = 0. An easy plane magnetic anisotropy with a preferable direction for each Ni(II) ion is found. For Fe4-cube, a ground state with total spin Stot = 8 has been determined. The analysis of the frequency dependence and temperature dependence of HF-ESR lines reveals an easy axis magnetic anisotropy (Dcube = -22 GHz (-1 K)) corresponding to an energy barrier of U = 64 K for the thermal relaxation of the magnetization. These results indicate that Fe4-cube is favorable to show single molecular magnet (SMM) behavior.

Das neuartige Fluss-Bypass-Verfahren ist ein sensorloses Messsystem für magnetisch gelagerte Antriebe. Durch Integration eines zusätzlichen nichtlinearen Flusspfad gelingt eine teilweise Kompensation des Sättigungseinflusses, der sonst bei hohen Flüssen zu verschwindender Messempfindlichkeit führen kann. Durch die transformatorische Signalübertragung mittels Hilfswicklungen werden ein hoher Signal-Rauschabstand bei hoher Messbandbreite erreicht.

This thesis presents the theoretical studies of chiral magnetic structures, which exist or are affected by antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya interactions. The theoretical approach is based on the phenomenological model of ferromagnetic materials lacking inversion symmetry. Equilibrium magnetic states are described as static structures in the micromagnetic low temperature limit with a fixed magnitude of the magnetization. The studies are focused on two cases: (i) magnetization structures that are affected by chiral exchange so that a particular chirality of these structures is selected, and (ii) novel solitonic states that are called chiral Skyrmions and only exist because of the chiral exchange. Vortex states in magnetic nanodisks provide the simplest example of a handed magnetization structure, where effects of the chiral couplings may become noticeable. A chiral exchange here favours one chirality of such a vortex state over the other. This effect can stem from surface-induced or other defect-related chiral Dzyaloshinskii-Moriya exchange. The different chiral versions of the vortex states are shown to display strong dependencies on the materials properties of such nanodisks. Within a micromagnetic model for these effects, numerical calculations of the shape, size, and stability of the vortices in equilibrium as functions of magnetic field and the material and geometrical parameters provide a general analysis of the influence of the broken mirror symmetry caused by the surface/interfaces or structural defect on their properties. The Dzyaloshinskii-Moriya interactions impose differences in the energies and sizes of vortices with different chirality: these couplings can considerably increase sizes of vortices with one sense of rotation and suppress vortices with opposite sense of rotation. Torsions related to lattice defects can cause similar to the surface-induced chiral couplings. A general phenomenological magneto-elastic formulation for this torsional chirality selection is given. It is applied to calculate similar effects on vortex states in magnetic disks with a screw dislocation at their center. In systems with strong chiral exchange the magnetic equilibrium states themselves become chiral twisted structures. The most interesting structures in this context are the two-dimensional solitonic states that are now known as chiral Skyrmions. The properties and stability of multiply twisted states composed of these particle-like units are the subject of the second part of this thesis. These states compete with the well known onedimensionally modulated helical states in non-centrosymmetric magnetic systems. Studies of modulated states in cubic helimagnets have shown, that in absence of additional effects, the only thermodynamically stable state is a cone helix. Uniaxial distortions, that can be caused by uniaxial stresses in the bulk samples or arise due to surface effects in thin films, suppress the helical states and stabilize Skyrmion lattices in a broad range of thermodynamical parameters. Using the phenomenological theory for modulated and localized states in chiral magnets, the equilibrium parameters of the Skyrmion and helical states have been derived as functions of applied magnetic field and induced uniaxial anisotropy. These results show that due to a combined effect of induced uniaxial anisotropy and an applied magnetic field, Skyrmion lattices can be formed as thermodynamically stable states. The theoretical results provide a comprehensive description of the evolution of modulated states in an applied magnetic field depending on type of anisotropy. The cases of a uniaxial anisotropy of easy axis and easy plane type with fields applied along its axis are investigated in detail. Existence of Skyrmion-lattice states in the easy axis case as thermodynamic field-induced phase is demonstrated. The results explain recent observation of Skyrmion lattices by magnetic Lorentz microscopy in thin foils of cubic chiral magnets. In systems with easy plane type of anisotropy, Skyrmion states do not form thermodynamic phases in applied fields along the axis. However, distorted Skyrmion phases can exist in fields applied perpendicularly to the axis. In this configuration of anisotropy axis and fields, both the helical states and the Skyrmions display elliptical distortions. The investigated micromagnetic model maps out the basic helical and Skyrmionic states expected to exist in cubic and nearly cubic chiral magnets.

In diesem Beitrag werden die magnetischen Eigenschaften von ferromagnetischen Proben, welche mittels des neuen 3D-Multimaterialdruckverfahrens (3DMMD) hergestellt wurden, mit herkömmlichen Magnetkreismaterialien verglichen. Dazu wird zunächst die Technologie des Druckverfahrens sowie das Messprinzip und der Versuchsstand beschrieben. Im Weiteren wird ein Überblick über die Materialentwicklung gegeben und die Messergebnisse diskutiert. Es folgt die Betrachtung relevanter Einflüsse bei der Herstellung von Magnetkreisen sowie der Vergleich der Messergebnisse verschiedener Materialien. / In this paper, the magnetic properties of ferromagnetic samples produced using the new 3D multi-material printing process (3DMMD) are compared with conventional magnetic circuit materials. First the technology of the printing process as well as the measuring principle and the test bench are described. Furthermore, an overview of the material development is given and the measurement results are discussed. This is followed by the consideration of relevant influences in the production of magnetic circuits and the comparison of the measurement results of different materials.

Das Stranggießen von Stahl ist mit 96 % Marktanteil das weltweit wichtigste Verfahren zur Stahlherstellung. Im Gießprozess beeinflusst das Strömungsprofil in der Kokille entscheidend die Qualität des erstarrten Stahls. Um eine möglichst optimale Kokillenströmung einzustellen, werden Aktuatoren eingesetzt, die die sich bewegende Schmelze kontaktlos mithilfe der Lorentzkraft beeinflussen. Diese Aktuatoren würden auch eine Strömungsregelung ermöglichen, wenn eine geeignete Messtechnik für heiße Schmelzen vorhanden wäre. Allerdings lösen bislang verfügbare Messverfahren vor allem die Strömung im Randgebiet der Kokille auf und sind häufig in ihrer zeitlichen Auflösung limitiert. Eine neue infrage kommende Messtechnik ist die berührungslose induktive Strömungstomographie (contactless inductive flow tomography, CIFT), die aus der gemessenen strömungsinduzierten Verzerrung eines angelegten Magnetfeldes die dreidimensionale Strömung rekonstruieren kann. In dieser Arbeit wird anhand eines 1:8-Labormodells einer Stranggusskokille und numerischen Simulationen untersucht, ob CIFT bei Anlagen mit elektromagnetischen Bremsen eingesetzt werden kann. Besondere Herausforderungen entstehen aufgrund der Verzerrung des CIFT-Anregungsmagnetfeldes durch die ferromagnetische Bremse, der großen Dynamik von 6 Größenordnungen zwischen dem Magnetfeld der Bremse und dem strömungsinduzierten Magnetfeld sowie intrinsischen Strömungsoszillationen mit einer charakteristischen Frequenz im Bereich der üblicherweise verwendeten CIFT-Anregungsfrequenzen. Es wird dargelegt, dass sich CIFT in derartigen Aufbauten einsetzen lässt, wenn (a) eine geeignete Anregungsmagnetfeldstruktur erzeugt werden kann, (b) gradiometrische Induktionsspulen als Magnetfeldsensoren eingesetzt werden und (c) die Anregungsfrequenz in einem optimalen, schmalen Bereich gewählt wird. Diese Messungen werden erst durch in dieser Arbeit dargelegte theoretische und experimentell validierte Analysen der Induktionsspulen möglich, wofür Schwerpunkte auf deren Modellierung, Design und Messunsicherheit gelegt wurden. Außerdem werden für dieses Stranggussmodell erstmals experimentelle Ergebnisse mit horizontal anstatt vertikal orientierten Anregungsmagnetfeldern präsentiert. Um die Skalierbarkeit von CIFT in Richtung industrieller Anlagen zu demonstrieren, werden zum einen CIFT-Strömungsrekonstruktionen in einem heißen 1:2-Labormodell einer Kokille vorgestellt. Eine weitere Herausforderung für CIFT ist die in industriellen Kokillen typischerweise aufgebrachte ferromagnetische Nickelschicht, die eine verzerrende und abschirmende Wirkung auf umgebende Magnetfelder hat. Diese Beschichtung stellt aufgrund ihrer zeitlich und räumlich schwankenden Permeabilität eines der größten Hindernisse für die Anwendung von CIFT im industriellen Stahlguss dar. Die Auswirkung dieser Beschichtung auf CIFT wird mit numerischen Simulationen quantifiziert. Dabei werden neue, im Rahmen dieser Arbeit patentierte Anregungsgeometrien untersucht und erste Strömungsrekonstruktionen gezeigt. / Continuous casting of steel is the most relevant steel casting method worldwide, with a 96 % market share. During the casting process, the flow profile in the mold has a decisive impact on the quality of the solidified steel. In order to obtain an optimal flow, electromagnetic actuators are employed to influence the melt by Lorentz forces in a contactless manner. Yet, tailored flow control is difficult, since conventional flow measurement techniques provide information with limited temporal or spatial resolution when applied to hot melts. One novel measurement technique that comes into question is contactless inductive flow tomography (CIFT), which relies on measuring the flow-induced perturbations to an applied magnetic field, and subsequent reconstructions of the three-dimensional flow. Using a 1:8 lab model of a casting mold and numerical simulations, this thesis examines if CIFT can be applied to continuous casters with electromagnetic brakes. Specific challenges arise from the distortion of the CIFT excitation field by the ferromagnetic brake, the dynamic range of 6 orders of magnitude between the magnetic field of the brake and the flow-induced magnetic field, as well as intrinsic flow oscillations with a characteristic frequency close to the CIFT excitation frequency. It is demonstrated that CIFT can be applied to these kind of setups, if (a) a proper structure of the excitation field can be achieved, (b) gradiometric induction coil sensors are employed and (c) the excitation frequency is chosen within an optimum narrow range. These measurements were enabled by novel theoretical analyses of the induction coils with corresponding experimental validation. Furthermore, for the first time, experimental results using a horizontally applied magnetic field are presented, in contrast to older experiments relying on a vertical magnetic excitation field. Additionally, this thesis presents CIFT flow reconstructions for a hot 1:2 model of a continuous casting mold, in order to demonstrate the scalability of CIFT towards industrial facilities. Moreover, the effects of ferromagnetic nickel coatings on CIFT, which are typically found in industrial casting molds, are quantified using numerical simulations. These coatings pose one of the most challenging obstacles for the industrial application of CIFT, since their temperature-dependent permeability shows temporal and spatial variations. For this scenario, new excitation geometries—developed and patented within the scope of this thesis—are investigated and first flow reconstructions are presented.

In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Wärmebadankopplungen an klassische Spin-Systeme realisiert. Zum einen wurde ein stochastischer Ansatz mittels Landau-Lifshitz-Dämpfung und Fluktuationen numerisch realisiert und zum anderen wurde ein vollkommen deterministischer Ansatz entworfen und optimiert. Mit Hilfe dieser Ankopplungsmethoden ist es möglich, sowohl statische magnetische Eigenschaften klassischer Spin-Systeme als auch deren dynamische magnetische Eigenschaften zu simulieren. Als Anwendung wurden Spin-Gitter-Relaxationszzeiten und Neutronenstreuquerschnitte für molekulare Magneten wie z.B. dem "ferric wheel" berechnet und mit aktuellen experimentellen Ergebnissen verglichen. Als zweite Anwendung wird die Magnetisierungsumkehr in einem sphärischen Teilchen diskutiert.

Der Fokus dieser Dissertation liegt auf den gemischt-metallischen Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerenen. Durch die Inklusion von bis zu drei Lanthanoiden mit unvollständig gefüllten 4f-Orbitalen weisen diese Clusterfullerene eine Vielzahl interessanter magnetischer Eigenschaften auf. Die magnetische Charakterisierung der Nitrid-Clusterfullerene DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1 - 3) zeigte bereits 2014 den Einfluss der Stöchiometrie auf das magnetische Verhalten und stufte diese Verbindungen als Einzelmolekülmagnete ein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel zwischen den strukturellen Eigenschaften und dem magnetischen Verhalten der Clusterfullerene untersucht. Der Fokus lag auf der Synthese und der magnetischen Charakterisierung von Clusterfullerenen mit unterschiedlicher Kohlenstoffkäfiggröße bzw. -isomerie, unterschiedlicher Clusterzusammensetzung bzw. Cluster-bildender Metalle und dem Einfluss des nichtmetallischen Zentralatoms des Clusters. Die Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerene wurden über ein modifiziertes Krätschmer-Huffman-Verfahren und unter Verwendung der trimetallischen Nitridtemplatmethode synthetisiert und anschließend mittels HPLC fraktioniert und massenspektrometrisch analysiert. Die magnetische Charakterisierung der Clusterfullerene gelang mittels DC-SQUID-Magnetometrie. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Fullerene konnten als Einzelmolekülmagnete identifiziert werden. Das magnetische Verhalten der Nitrid-Clusterfullerene wird hauptsächlich durch den Cluster M3N und weniger durch den diamagnetischen Kohlenstoffkäfig bestimmt. Jedoch wurde für DySc2N@C80-D5h und Dy2ScN@C80-D5h eine verringerte Lebensdauer der Magnetisierung im Vergleich zu ihren Analoga mit Ih-Kohlenstoffkäfigsymmetrie beobachtet. Stärkeren Einfluss hat die Kohlenstoffkäfiggröße. Für DySc2N@C68, Dy2ScN@C84 und Dy2ScN@C88 wurde eine deutliche Abnahme der Remanenz, der Blocktemperaturen und der Relaxationzeiten festgestellt. Als Ursache werden die veränderten Dy-N-Bindungslängen diskutiert. Die Clusterfullerene Dy2MN@C80-Ih und DyM2N@C80-Ih (M = Gd, Er, Lu) enthalten neben Dysprosium ein weiteres Lanthanoid im Cluster. Das zweite Lanthanoid M ruft eine erhebliche Änderungen der magnetischen Eigenschaften hervor. Die paramagnetischen Metalle Gd und Er wirken sich stark negativ auf die magnetische Remanenz aus. Für Dy2LuN@C80-Ih und DyLu2N@C80-Ih wurde ein ähnliches magnetisches Verhalten wie für DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1, 2) verzeichnet. Durch die Verdünnung des Fullerens DyLu2N@C80-Ih mit der diamagnetischen Verbindung Lu3N@C80-Ih wurde zusätzlich eine Erhöhung der Hysterese der Magnetisierung im untersuchten Temperaturbereich registriert. Der Einfluss der nichtmetallischen Clusterspezies auf die magnetischen Eigenschaften wurde anhand der Carbid-Clusterfullerene Dy2TiC@C80-Ih, -D5h und Dy2TiC2@C80-Ih untersucht. Obwohl die Fullerene Dy2TiC@C80-Ih bzw. -D5h sich nur durch die isoelektronische Ti-C-Clustereinheit von den Nitrid-Clusterfullerenen unterscheiden, ist deren Remanenz nur halb so groß. Ein weiteres Kohlenstoffatom im Cluster, wie in Dy2TiC2@C80-Ih, ruft eine weitere Abnahme der Hysterese der Magnetisierung hervor. Die veränderte Bindungssituation der Carbid-Cluster wird als Ursache für das beobachtete magnetische Verhalten herangezogen.