Rare-earth nickel borocarbids RNi2B2C are particularly suitable for investigations on one of the most interesting problems in modern solid-state physics: these compounds display competition and coexistence of superconductivity and magnetism. Depending on the R3+ ion, the transition temperatures are in an experimentally easy accessible range of 1 K to 25 K. This thesis presents experimental studies on the interplay of both ordering phenomena. Neutron diffraction is used to determine the magnetic order and the resulting changes of the crystal structure. Experiments are performed on polycrystalline and single crystal samples in dependence on temperature and external magnetic fields. The Ni-B stoichiometry of the tetragonal RNi2B2C compounds is systematically varied and the magnetic R3+ ions are partially substituted by other magnetic or nonmagnetic R?3+ ions. The experimental results are compared with macroscopic magnetic and electrical properties. For HoNi2B2C three different magnetic structures are found in a narrow temperature range. While for two magnetic structures the Ho3+ moments are modulated along the c axis, a third magnetic structure with a modulation in a direction is observed. Both, partial substitution of Ho3+ ions and variation of the Ni-B stoichiometry, strongly modify the formation of these different types of magnetic order. The comparison with the concomitant changes of the superconducting properties yields the following scenario for HoNi2B2C-based compounds: superconductivity coexists with both magnetic structures with modulations in c direction. However, the onset of magnetic order weakens the superconductivity. For the magnetic structure with modulation along the a axis, components of the magnetic moments arise in c direction. The resulting local magnetic fields on Ni sites yield a strong suppression of the superconductivity. The observed competition between superconductivity and the magnetic structure with modulation along the a axis strongly suggests that the modification of the electronic structure due to the superconducting state influences the magnetic ordering. As a further impact of the magnetism in RNi2B2C compounds with R = Ho, Dy, Tb and Er changes of the crystal structure are investigated. Using high-resolution neutron diffraction, tetragonal-to-orthorhombic lattice distortions are found. They are induced by those magnetic structures with either parallel or anti-parallel alignement of R3+ magnetic moments. The direction of the lattice distortions, the dependence of their size on the square of the effective ordered magnetic moment and on the type of the R3+ ions indicate that the magneto-elastic interactions are determined by crystal-field effects. This fact also facilitates the elucidation of the magnetic phase diagrams by neutron diffraction experiments in external magnetic fields. For a given phase, absence or presence of magneto-elastic lattice distortions restrict the set of possible magnetic structures. For HoNi2B2C the magnetic phases reported in literature are confirmed. The experimental results for DyNi2B2C are interpreted using a simple model to determine the magnetic structures. Based on mean field calculations, the differences in the magnetic structures for increasing and decreasing magnetic fields can be understood as very strong hysteresis effects in connection with first-order phase transitions. / Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Verbindungen RNi2B2C sind bestens zur Untersuchung eines der interessantesten Probleme der modernen Festkörperphysik geeignet: Diese Substanzen weisen Konkurrenz und Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus auf, wobei die vom R3+-Ion abhängigen Übergangstemperaturen in einem experimentell gut zugänglichen Bereich von 1 K bis 25 K liegen. Die vorliegende Dissertation stellt experimentelle Arbeiten zum Wechselspiel der beiden Ordnungsphänomene vor. Für poly- und einkristalline Proben werden die magnetischen Ordnungen und resultierende Veränderungen der Kristallstruktur mittels Neutronendiffraktion in Abhängigkeit von der Temperatur und vom äußeren Magnetfeld bestimmt und mit den makroskopischen magnetischen und elektrischen Eigenschaften verglichen. Hierbei werden die tetragonalen RNi2B2C-Verbindungen gezielt in ihrer Ni-B-Stöchiometrie variiert sowie die magnetischen R3+-Ionen partiell durch andere magnetische als auch unmagnetische R?3+-Ionen substituiert. Für HoNi2B2C werden in einem engen Temperaturbereich drei verschiedene magnetische Strukturen nachgewiesen. Während in zwei magnetischen Ordnungen die Ho3+-Momente entlang der c-Achse moduliert sind, wird für die dritte magnetische Ordnung eine Modulation in a-Richtung beobachtet. Sowohl durch die partielle Substitution der Ho3+-Ionen als auch durch die Ni-B-Stöchiometrievariation wird die Ausprägung der magnetischen Strukturen stark modifiziert. Der Vergleich mit den ebenfalls veränderten supraleitenden Eigenschaften ergibt das folgende Bild für die HoNi2B2C-Verbindungen: Die Supraleitung koexistiert mit den beiden c-Achsen-modulierten magnetischen Strukturen, das Einsetzen der magnetischen Ordnung führt jedoch zu einer Schwächung der Supraleitung. Die a-Achsen-modulierte magnetische Struktur weist Momentkomponenten in c-Richtung auf, die auf Grund der resultierenden lokalen Magnetfelder an den Ni-Plätzen eine starke Unterdrückung der Supraleitung bewirken. Die beobachtete Konkurrenz zwischen der Supraleitung und der a-Achsen-modulierten magnetischen Struktur gibt andererseits einen starken Hinweis darauf, daß die Modifizierung der elektronischen Struktur im supraleitenden Zustand auf das magnetische System rückwirkt. Als weitere Auswirkung des Magnetismus kommt es in RNi2B2C-Verbindungen mit R = Ho, Dy, Tb und Er zu Veränderungen der Kristallstruktur. Mittels hochauflösender Neutronendiffraktion werden magnetisch induzierte, tetragonal-zu-orthorhombische Gitterverzerrungen für diejenigen magnetischen Ordnungen nachgewiesen, bei denen die magnetischen Momente der R3+-Ionen parallel bzw. antiparallel ausgerichtet sind. Die Richtung der Gitterverzerrung, die Abhängigkeit ihrer Größe vom Quadrat des geordneten magnetischen Momentes als auch von der Art der R3+-Ionen deuten darauf hin, daß die magneto-elastischen Wechselwirkungen durch Kristallfeldeffekte bestimmt werden. Diese Einsicht unterstützt auch die Aufklärung der magnetischen Phasendiagramme mittels magnetfeldabhängiger Neutronenbeugungsexperimente. Für eine magnetische Phase schränkt das Auftreten bzw. Fehlen der magneto-elastischen Effekte die Vielfalt der möglichen magnetischen Strukturen ein. Die aus der Literatur bekannten magnetischen Phasen von HoNi2B2C werden bestätigt. Für DyNi2B2C werden die experimentellen Ergebnisse unter Nutzung eines einfachen Modelles interpretiert und die magnetischen Strukturen bestimmt. Anhand von Molekularfeldrechnungen können die Unterschiede in den magnetischen Strukturen für ansteigendes und für abnehmendes Magnetfeld als sehr starke Hystereseeffekte in Zusammenhang mit Phasenübergängen erster Ordnung gedeutet werden.

Confronted with the global demographic changes and the increasing pressure on modern healthcare system, there has been a surge of developing new technology platforms in the past decades. Droplet microfluidics is a prominent example of such technology platforms, which offers an efficient format for massively parallelized screening of a large number of samples and holds great promise to boost the throughput and reduce the costs of modern biomedical activities. Despite recent achievements, the realization of a compact and generic screening system which is suited for resource-limited settings and point-of-care applications remains elusive. To address the above challenges, the dissertation focuses on the development of a compact multifunctional droplet micro-magnetofluidic system by exploring the advantages of magnetic in-flow detection principles. The methodologies behind a novel technique for biomedical applications, namely, magnetic in-flow cytometry have been put forth, which encompass magnetic indexing schemes, quantitative multiparametric analytics and magnetically-activated sorting. A magnetic indexing scheme is introduced and intrinsic to the magnetofluidic system. Two parameters characteristic of the magnetic signal when detecting magnetically functionalized objects, i.e. signal amplitude and peak width, providing information which is necessary to perform quantitative analysis in the spirit of optical cytometry has been proposed and realized. Magnetically-activated sorting is demonstrated to actively select individual droplets or to purify a population of droplets of interest. Together with the magnetic indexing scheme and multiparametric analytic technique, this functionality synergistically enables controlled synthesis, quality administration and screening of encoded magnetic microcarriers, which is crucial for the practical realization of magnetic suspension arrays technologies. Furthermore, to satisfy the needs of cost-efficient fabrication and high-volume delivery, an approach to fabricate magnetofluidic devices on flexible foils is demonstrated. The resultant device retains high performance of its rigid counterpart and exhibits excellent mechanical properties, which promises long-term stability in practical applications.

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.

Die Arbeit beinhaltet eine Untersuchung der magnetischen Anregungen in NdCu2 mittels inelastischer Neutronenstreuung. Die Zielsetzung besteht darin, die zur Beschreibung der magnetischen Eigenschaften notwendige Austauschwechselwirkung zu charakterisieren. Dazu wurden die Spinwellendispersionsrelationen in mehreren magnetischen Phasen gemessen (ferro-, ferri-, antiferromagnetisch; magnetische Momente parallel b). Die Lage der in der ferromagnetischen Phase F3 erwarteten zwei Dispersionszweige konnte vollständig bestimmt werden. Auffälligstes Merkmal ist ein ausgeprägtes Minimum an der Stelle q=(0.35,0,0), welches eine Energielücke im Anregungsspektrum definiert. Die Lage des Minimums fällt mit keinem der in NdCu2 beobachteten magnetischen Ordnungsvektoren zusammen, wodurch die starke magnetischen Anisotropie des Systems zum Ausdruck kommt. An die experimentell ermittelte Spinwellendispersion in der Phase F3 wurde ein MF-RPA-Modell angepaßt, welches einen Satz magnetischer Kopplungsparameter liefert. Durch Anwendung dieser Kopplungsparameter auf andere Verbindungen der RCu2-Reihe lassen sich Aussagen zum magnetischen Ordnungsprozeß in diesen Verbindungen machen. Werden die magnetischen Momente durch Anlegen eines starken Magnetfeldes in c-Richtung ausgerichtet, so läßt sich die Austauschkopplung innerhalb der ab-Ebene untersuchen. Die magnetischen Anregungen wurden bei µ0Hc=12T und T=2K gemessen. Das Minimum im Anregungsspektrum liegt jetzt bei q=(0.6,0,0) und damit im Bereich der magnetischen Ordnungsvektoren. Ein besonders interessantes Phänomen innerhalb der RCu2-Reihe ist die sogenannte Achsenkonversion. Mittels elastischer Neutronenstreuung konnte erstmals gezeigt werden, daß eine Achsenkonversion auch in RCu2-Verbindungen auftritt, in denen die leichte Magnetisierungsrichtung parallel zur orthorhombischen b-Achse liegt. In NdCu2 deuten starke magnetostriktive Effekte und das Zusammenbrechen eines Bragg-Reflexes bei µ0Hc=12.5T und T=2K auf einen strukturellen Phasenübergang hin. Im abnehmenden äußeren Magnetfeld relaxieren die strukturellen Änderungen bis zum Erreichen des Nullfeldes nicht. Nach der Konversion wurde zwischen µ0Hc=0T und 6T eine neue antiferromagnetische Phase beobachtet. Die Rückkonversion in den Ausgangszustand erfolgt durch Erwärmung der Probe auf T=130K.

Chemically ordered FePt is one of the most promising materials to reach the ultimate limitations in storage density of future magnetic recording devices due to its high uniaxial magnetocrystalline anisotropy and a corrosion resistance superior to rare-earth based magnets. In this study, FePt and FePt/Cu bilayers have been sputter deposited at room temperature onto thermally oxidized silicon wafers, glass substrates and self-assembled arrays of spherical SiO2 particles with diameters down to 10 nm. Millisecond flash lamp annealing, as well as conventional rapid thermal annealing was employed to induce the phase transformation from the chemically disordered A1 phase into the chemically ordered L10 phase. The influence of the annealing temperature, annealing time and the film thickness on the ordering transformation and (001) texture evolution of FePt films with near equiatomic composition was studied. Whereas flash lamp annealed FePt films exhibit a polycrystalline morphology with high chemical L10 order, rapid thermal annealing can lead to the formation of chemically ordered FePt fifilms with (001) texture on amorphous SiO2/Si substrates. The resultant high perpendicular magnetic anisotropy and large coercivities up to 40 kOe are demonstrated. Simultaneuosly to the ordering transformation, rapid thermal annealing to temperatures exceeding 600 °C leads to a break up of the continuous FePt film into separated islands. This dewetting behavior was utilized to create regular arrays of FePt nanostructures on SiO2 particle templates with periods down to 50 nm. The addition of Cu improves the (001) texture formation and chemcial ordering for annealing temperatures T < 600 °C. In addition, the magnetic anisotropy and the coercivity of the ternary FePtCu alloy can be effectively tailored by adjusting the Cu content. The prospects of FePtCu based exchange spring media, as well as the magnetic properties of FePtCu nanostructures fabricated using e-beam and nanoimprint lithography have been investigated.

Der Einsatz nanostrukturierter Magnetmaterialien als Speicherschichten in Festplatten stellt ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Speicherdichten im Vergleich zu den heute eingesetzten granularen Medien dar. Für die Realisierung dieses Konzeptes ist eine detaillierte Kenntnis der Struktureigenschaften und deren Einfluss auf das magnetische Verhalten der einzusetzenden Schichten erforderlich. Für die vorliegende Arbeit wurden drei verschiedene magnetische Materialien ausgewählt und insbesondere mit elektronenmikroskopischen Methoden in struktureller Hinsicht untersucht. Dazu zählen ferromagnetische (FePt)(100-x)Cu(x) -Schichten, ferromagnetische [Co/Pt]n -Multilagen sowie ferrimagnetische Fe(100-x)Tb(x) -Schichten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Korrelation zwischen strukturellen und magnetischen Eigenschaften sowie im Einfluss der Nanostrukturierung auf das magnetische Verhalten der Schichten. In dieser Hinsicht wurden Aspekte der durch die Struktur bedingten magnetischen Anisotropie in Form von magnetokristalliner und Grenzflächenanisotropie betrachtet. Zudem wurde das Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Strukturelementen in nanostrukturierten Schichten untersucht. Aufbauend auf die Untersuchung der drei genannten Materialien wurden [Co/Pt]n und Fe(100-x)Tb(x) ausgewählt zum Aufbau eines Systems mit zwei magnetischen Komponenten: Fe(80)Tb(20) / [Co/Pt]10. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf die Morphologie der Grenzfläche zwischen den beiden Bestandteilen und deren Einfluss auf den Exchange Bias, der in diesem System vorliegt.

In this work, stretchable magnetic sensorics is successfully established by combining metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world-wide first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetoelectronics with fully strain invariant properties, is described. The prepared soft giant magnetoresistive devices exhibit the same sensing performance as on conventional rigid supports, but can be stretched uniaxially or biaxially reaching strains of up to 270% and endure over 1,000 stretching cycles without fatigue. The comprehensive magnetoelectrical characterization upon tensile deformation is correlated with in-depth structural investigations of the sensor morphology transitions during stretching. With their unique mechanical properties, the elastic magnetoresistive sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. This feature leads electronic skin systems beyond imitating the characteristics of its natural archetype and extends their cognition to static and dynamic magnetic fields that by no means can be perceived by human beings naturally. Various application fields of stretchable magnetoelectronics are proposed and realized throughout this work. The developed sensor platform can equip soft electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.

Chemically ordered FePt is one of the most promising materials to reach the ultimate limitations in storage density of future magnetic recording devices due to its high uniaxial magnetocrystalline anisotropy and a corrosion resistance superior to rare-earth based magnets. In this study, FePt and FePt/Cu bilayers have been sputter deposited at room temperature onto thermally oxidized silicon wafers, glass substrates and self-assembled arrays of spherical SiO2 particles with diameters down to 10 nm. Millisecond flash lamp annealing, as well as conventional rapid thermal annealing was employed to induce the phase transformation from the chemically disordered A1 phase into the chemically ordered L10 phase. The influence of the annealing temperature, annealing time and the film thickness on the ordering transformation and (001) texture evolution of FePt films with near equiatomic composition was studied. Whereas flash lamp annealed FePt films exhibit a polycrystalline morphology with high chemical L10 order, rapid thermal annealing can lead to the formation of chemically ordered FePt fifilms with (001) texture on amorphous SiO2/Si substrates. The resultant high perpendicular magnetic anisotropy and large coercivities up to 40 kOe are demonstrated. Simultaneuosly to the ordering transformation, rapid thermal annealing to temperatures exceeding 600 °C leads to a break up of the continuous FePt film into separated islands. This dewetting behavior was utilized to create regular arrays of FePt nanostructures on SiO2 particle templates with periods down to 50 nm. The addition of Cu improves the (001) texture formation and chemcial ordering for annealing temperatures T < 600 °C. In addition, the magnetic anisotropy and the coercivity of the ternary FePtCu alloy can be effectively tailored by adjusting the Cu content. The prospects of FePtCu based exchange spring media, as well as the magnetic properties of FePtCu nanostructures fabricated using e-beam and nanoimprint lithography have been investigated.

Die Arbeit beinhaltet eine Untersuchung der magnetischen Anregungen in NdCu2 mittels inelastischer Neutronenstreuung. Die Zielsetzung besteht darin, die zur Beschreibung der magnetischen Eigenschaften notwendige Austauschwechselwirkung zu charakterisieren. Dazu wurden die Spinwellendispersionsrelationen in mehreren magnetischen Phasen gemessen (ferro-, ferri-, antiferromagnetisch; magnetische Momente parallel b). Die Lage der in der ferromagnetischen Phase F3 erwarteten zwei Dispersionszweige konnte vollständig bestimmt werden. Auffälligstes Merkmal ist ein ausgeprägtes Minimum an der Stelle q=(0.35,0,0), welches eine Energielücke im Anregungsspektrum definiert. Die Lage des Minimums fällt mit keinem der in NdCu2 beobachteten magnetischen Ordnungsvektoren zusammen, wodurch die starke magnetischen Anisotropie des Systems zum Ausdruck kommt. An die experimentell ermittelte Spinwellendispersion in der Phase F3 wurde ein MF-RPA-Modell angepaßt, welches einen Satz magnetischer Kopplungsparameter liefert. Durch Anwendung dieser Kopplungsparameter auf andere Verbindungen der RCu2-Reihe lassen sich Aussagen zum magnetischen Ordnungsprozeß in diesen Verbindungen machen. Werden die magnetischen Momente durch Anlegen eines starken Magnetfeldes in c-Richtung ausgerichtet, so läßt sich die Austauschkopplung innerhalb der ab-Ebene untersuchen. Die magnetischen Anregungen wurden bei µ0Hc=12T und T=2K gemessen. Das Minimum im Anregungsspektrum liegt jetzt bei q=(0.6,0,0) und damit im Bereich der magnetischen Ordnungsvektoren. Ein besonders interessantes Phänomen innerhalb der RCu2-Reihe ist die sogenannte Achsenkonversion. Mittels elastischer Neutronenstreuung konnte erstmals gezeigt werden, daß eine Achsenkonversion auch in RCu2-Verbindungen auftritt, in denen die leichte Magnetisierungsrichtung parallel zur orthorhombischen b-Achse liegt. In NdCu2 deuten starke magnetostriktive Effekte und das Zusammenbrechen eines Bragg-Reflexes bei µ0Hc=12.5T und T=2K auf einen strukturellen Phasenübergang hin. Im abnehmenden äußeren Magnetfeld relaxieren die strukturellen Änderungen bis zum Erreichen des Nullfeldes nicht. Nach der Konversion wurde zwischen µ0Hc=0T und 6T eine neue antiferromagnetische Phase beobachtet. Die Rückkonversion in den Ausgangszustand erfolgt durch Erwärmung der Probe auf T=130K.

Der Einsatz nanostrukturierter Magnetmaterialien als Speicherschichten in Festplatten stellt ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Speicherdichten im Vergleich zu den heute eingesetzten granularen Medien dar. Für die Realisierung dieses Konzeptes ist eine detaillierte Kenntnis der Struktureigenschaften und deren Einfluss auf das magnetische Verhalten der einzusetzenden Schichten erforderlich. Für die vorliegende Arbeit wurden drei verschiedene magnetische Materialien ausgewählt und insbesondere mit elektronenmikroskopischen Methoden in struktureller Hinsicht untersucht. Dazu zählen ferromagnetische (FePt)(100-x)Cu(x) -Schichten, ferromagnetische [Co/Pt]n -Multilagen sowie ferrimagnetische Fe(100-x)Tb(x) -Schichten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Korrelation zwischen strukturellen und magnetischen Eigenschaften sowie im Einfluss der Nanostrukturierung auf das magnetische Verhalten der Schichten. In dieser Hinsicht wurden Aspekte der durch die Struktur bedingten magnetischen Anisotropie in Form von magnetokristalliner und Grenzflächenanisotropie betrachtet. Zudem wurde das Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Strukturelementen in nanostrukturierten Schichten untersucht. Aufbauend auf die Untersuchung der drei genannten Materialien wurden [Co/Pt]n und Fe(100-x)Tb(x) ausgewählt zum Aufbau eines Systems mit zwei magnetischen Komponenten: Fe(80)Tb(20) / [Co/Pt]10. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf die Morphologie der Grenzfläche zwischen den beiden Bestandteilen und deren Einfluss auf den Exchange Bias, der in diesem System vorliegt.