The diethyl ester of o-phenylenebis(oxamic acid) (opbaH2Et2) was treated with an excess of RNH2 in MeOH to cause the exclusive formation of the respective o-phenylenebis(N(R)-oxamides) (opboH4R2, R = Me 1, Et 2, nPr 3) in good yields. Treatment of 1–3 with half an equivalent of [Cu2(AcO)4(H2O)2] or one equivalent of [Ni(AcO)2(H2O)4] followed by the addition of four equivalents of [nBu4N]OH resulted in the formation of mononuclear bis(oxamidato) type complexes [nBu4N]2[M(opboR2)] (M = Ni, R = Me 4, Et 5, nPr 6; M = Cu, R = Me 7, Et 8, nPr 9). By addition of two equivalents of [Cu(pmdta)(NO3)2] to MeCN solutions of 7–9, novel trinuclear complexes [Cu3(opboR2)(L)2](NO3)2 (L = pmdta, R = Me 10, Et 11, nPr 12) could be obtained. Compounds 4–12 have been characterized by elemental analysis and NMR/IR spectroscopy. Furthermore, the solid state structures of 4–10 and 12 have been determined by single-crystal X-ray diffraction studies. By controlled cocrystallization, diamagnetically diluted 8 and 9 (1%) in the host lattice of 5 and 6 (99%) (8@5 and 9@6), respectively, in the form of single crystals have been made available, allowing single crystal ESR studies to extract all components of the g-factor and the tensors of onsite CuA and transferred NA hyperfine (HF) interaction. From these studies, the spin density distribution of the [Cu(opboEt2)]2− and [Cu(opbonPr2)]2− complex fragments of 8 and 9, respectively, could be determined. Additionally, as a single crystal ENDOR measurement of 8@5 revealed the individual HF tensors of the N donor atoms to be unequal, individual estimates of the spin densities on each N donor atom were made. The magnetic properties of 10–12 were studied by susceptibility measurements versus temperature to give J values varying from −96 cm−1 (10) over −104 cm−1 (11) to −132 cm−1 (12). These three trinuclear CuII-containing bis(oxamidato) type complexes exhibit J values which are comparable to and slightly larger in magnitude than those of related bis(oxamato) type complexes. In a summarizing discussion involving experimentally obtained ESR results (spin density distribution) of 8 and 9, the geometries of the terminal [Cu(pmdta)]2+ fragments of 12 determined by crystallographic studies, together with accompanying quantum chemical calculations, an approach is derived to explain these phenomena and to conclude if the spin density distribution of mononuclear bis(oxamato)/bis(oxamidato) type complexes could be a measure of the J couplings of corresponding trinuclear complexes. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The work described in this thesis uses oxygen NMR to probe the electronic system of rare earth co-doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, the prototypical high temperature superconducting cuprate (HTSC). Oxygen NMR turns out to be a powerful tool for this purpose. The nucleus is located directly inside the CuO_2 planes. It has a spin of 5/2 and a quadrupole moment and therefore can probe both, interactions with the magnetic hyperfine field as well as interactions through the electric field gradient of the crystal. Furthermore, the spin lattice relaxation time T_1 and the spin spin relaxation time T_2 contain information about the dynamics of these interactions. Such a link between the spin and charge structures in high temperature superconductors has been elusive until today. Instead, there are magnetic probes such as neutron scattering and muSR that provide evidence for a modulation of the spin structure and static magnetic moments, respectively, and charge probes like STM that reveal inhomogeneous doping distributions in the CuO_2 planes. In either case, inhomogeneities in the spin and charge system seem to be typical for HTSCs. Whereas the spin and charge modulations are believed to be dynamic in the superconducting compounds, they become static at low temperatures in Eu doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, where superconductivity is suppressed. As could be demonstrated here, evidence for such a spin and charge separation, that often revealed stunning similarities to the spin ladder compounds, is apparent in almost all measured NMR parameters. / In dieser Arbeit werden Sauerstoff NMR Untersuchungen der elektronischen Struktur von Selten-Erd dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4, dem prototypischen Hochtemperatursupraleiter (HTSL), vorgestellt. Sauerstoff NMR ist zu diesem Zweck besonders gut geeignet. Der Kern befindet sich innerhalb der Kupferoxid-Ebenen. Er hat einen Spin von 5/2 und ein Quadrupolmoment. Damit lassen sich Wechselwirkungen mit dem magnetischen Hyperfeinfeld der Cu-Atome sowie Wechselwirkungen mit dem elektrischen Feldgradienten des Kristalls untersuchen. Des Weiteren geben die Spin-Gitter-Relaxationszeit T_1 sowie die Spin-Spin-Relaxationszeit T_2 Aufschluss über die Dynamik dieser beiden Wechselwirkungen. Eine Verbindung zwischen der Spin- und Ladungsordnung gibt es in den HTSL bisher nicht. Statt dessen haben magnetische Messmethoden wie Neutronenstreuung oder muSR Aussagen über die magnetische Ordnung geliefert. Unabhängig davon liefern Messmethoden wie STM nur Informationen über eine Ladungsordnung oder inhomogene Ladungsverteilungen. Inhomogenitäten der Spins und Ladungen scheinen aber typisch für die HTSL zu sein. Man vermutet, dass diese Inhomogenitäten dynamisch in den supraleitenden Verbindungen sind, während sie in Eu dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4 bei tiefen Temperaturen statisch werden und die Supraleitung unterdrücken. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich diese Ladungs- und Spininhomogenitäten in vielen Parametern der NMR Spektren bemerkbar machen.

Consolidating a microscopic understanding of magnetic properties is crucial for a rational design of magnetic materials with tailored characteristics. The interplay of 3d and 4f magnetism in rare-earth transition metal antimonides is an ideal platform to search for such complex behavior. Here the synthesis, crystal growth, structure, and complex magnetic properties are reported of the new compound Pr3Fe3Sb7 as studied by magnetization and electrical transport measurements in static and pulsed magnetic fields up to 56 T, powder neutron diffraction, and Mößbauer spectroscopy. On cooling without external magnetic field, Pr3Fe3Sb7 shows spontaneous magnetization, indicating a symmetry breaking without a compensating domain structure. The Fe substructure exhibits noncollinear ferromagnetic order below the Curie temperature TC ≈ 380 K. Two spin orientations exist, which approximately align along the Fe–Fe bond directions, one parallel to the ab plane and a second one with the moments canting away from the c axis. The Pr substructure orders below 40 K, leading to a spin-reorientation transition (SRT) of the iron substructure. In low fields, the Fe and Pr magnetic moments order antiparallel to each other, which gives rise to a magnetization antiparallel to the external field. At 1.4 K, the magnetization approaches saturation above 40 T. The compound exhibits metallic resistivity along the c axis, with a small anomaly at the SRT.

In this work, the crystal growth as well as structural and magnetic investigations of several metal trichalcogenides compounds with a general formula M2X2Ch6 are presented. M stands for a main group metal or transition metal, X is an element of the IV or V main group and Ch is a chalcogen. In particular, these compounds are the phosphorus sulfides Fe2P2S6, Ni2P2S6 as well as intermediate compounds of the substitution regime (Fe1-xNix)2P2S6, the quarternary phosphorus sulfides CuCrP2S6 and AgCrP2S6 and the germanium tellurides Cr2Ge2Te6 and In2Ge2Te6. As members of the metal trichalcogenides, all these compounds have a van der Waals layered honeycomb structure in common. This layered structure in combination with their magnetic properties makes these compounds interesting candidate materials for the production of magnetic monolayers by exfoliation from bulk crystals. Crystals of the phosphorus sulfides were grown by the chemical vapor transport technique and, for the growth of the germanium tellurides, the self-flux growth technique was used. Crystals of all phases were extensively characterized regarding their morphology, chemical composition and homogeneity as well as regarding their crystal structure. The structural analysis, especially for Ni2P2S6, yields insight into details of the stacking order and disorder of the corresponding quasi-two-dimensional layers in the bulk. Regarding the magnetic properties, both Fe2P2S6 and Ni2P2S6 order antiferromagnetically but exhibit different magnetic anisotropies (i.e. Ising-like anisotropy for Fe2P2S6 and XYZ anisotropy for Ni2P2S6). In this context, it is surprising to find that compounds in the solid solution regime of (Fe1-xNix)2P2S6 up to x = 0.9 exhibit an anisotropic magnetic behavior that is comparable to Fe2P2S6 and, thus, indicative of Ising-like anisotropy. For CuCrP2S6 and AgCrP2S6, the ordering of the two different transition elements on the honeycomb sites yields more complex magnetic structures. The magnetic Cr3+ atoms in CuCrP2S6 order in a triangular arrangement and form an antiferromagnetic ground state with notable ferromagnetic interactions. AgCrP2S6 exhibits pronounced features of low dimensional magnetism resulting from the (quasi-)one-dimensional stripe-like arrangement of magnetic Cr3+ atoms and no onset of long-range magnetic order is unambiguously observed. Cr2Ge2Te6 exhibits ferromagnetic order and an anisotropic feature in the temperature dependence of the magnetization. Based on the magnetic phase diagrams for two orientations between the magnetic field and the crystallographic directions, the temperature dependence of the magnetocrystalline anisotropy constant as well as the critical exponents of the magnetic phase transition are extracted. Concluding from this, the magnetic interactions in Cr2Ge2Te6 are dominantly of two-dimensional nature and the anisotropy is uniaxial with the before mentioned anisotropic feature resulting from the interplay between magnetocrystalline anisotropy, magnetic field, and temperature. In2Ge2Te6 is diamagnetic as to be expected for a closed-shell system. Additional to the investigations on single crystals, the quasi-binary phase diagram of (Cu1-xAgx)CrP2S6 was investigated for regimes of solid solution behavior based on polycrystalline samples. Accordingly, isostructural substitution is most likely possible in the composition range of (Cu0.25Ag0.75)CrP2S6 to AgCrP2S6, potentially allowing to tune the magnetic interactions of the Cr sublattice indirectly by substitution on the Cu/Ag sublattice.:1. Introduction 1.1. M2X2Ch6 Class of Materials 1.2. Magnetism in Solid State Materials 1.2.1. Diamagnetism 1.2.2. Paramagnetism 1.2.3. Cooperative Magnetism 1.2.4. Magnetic Anisotropy 1.2.5. Magnetism in D < 3 1.2.6. Critical Exponents 2. Methods 2.1. Synthesis and Crystal Growth 2.1.1. Solid State Synthesis 2.1.2. Crystal Growth via the Liquid Phase 2.1.3. Crystal Growth via the Vapor Phase 2.2. X-ray Diffraction 2.2.1. Single Crystal X-ray Diffraction 2.2.2. Powder X-ray Diffraction 2.3. Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.3.1. Scanning Electron Microscopy 2.3.2. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.4. Magnetometry 2.5. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2.6. Specific Heat Capacity 3. M2P2S6 3.1. Ni2P2S6 3.1.1. Crystal Growth 3.1.2. Characterization 3.1.3. Magnetic Properties 3.1.4. 31P-NMR Spectroscopy 3.1.5. Stacking (Dis-)Order in Ni2P2S6 3.2. (Fe1-xNix)2P2S6 3.2.1. Synthesis and Crystal Growth 3.2.2. Characterization 3.2.3. Evolution of Magnetic Properties 3.3. Summary and Outlook 4. M1+CrP2S6 4.1. CuCrP2S6 4.1.1. Crystal Growth 4.1.2. Characterization 4.1.3. Magnetic Properties 4.2. AgCrP2S6 4.2.1. Crystal Growth 4.2.2. Characterization 4.2.3. Magnetic Properties 4.3. Polycrystalline (Cu1-xAgx)CrP2S6 4.3.1. Synthesis 4.3.2. Phase Analysis 4.4. Summary and Outlook 5. M2(Ge,Si)2Te6 5.1. Cr2Ge2Te6 5.1.1. Crystal Growth 5.1.2. Characterization 5.1.3. Magnetic Properties 5.1.4. Analysis of the Critical Behavior 5.2. In2Ge2Te6 5.2.1. Crystal Growth 5.2.2. Characterization 5.2.3. Magnetic Properties 5.2.4. Specific Heat 5.3. Summary and Outlook 6. Conclusion Bibliography List of Publications Acknowledgements Eidesstattliche Erklärung A. Appendix A.1. Scanning Electron Microscopic Images A.1.1. (Fe1-xNix)2P2S6 A.2. scXRD A.2.1. (Fe1-xNix)2P2S6 / In dieser Arbeit werden die Kristallzüchtung sowie strukturelle und magnetische Untersuchungen an mehreren Metalltrichalkogenid-Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel M2X2Ch6 vorgestellt. M steht für ein Hauptgruppen- oder Übergangsmetall, X ist ein Element der IV- oder V-Hauptgruppe und Ch ein Chalkogen. Insbesondere handelt es sich bei diesen Verbindungen um die Phosphorsulfide Fe2P2S6, Ni2P2S6 sowie um Verbindungen der Substitutionsreihe (Fe1-xNix)2P2S6, die quaternären Phosphorsulfide CuCrP2S6 und AgCrP2S6 sowie die Germaniumtelluride Cr2Ge2Te6 und In2Ge2Te6. Als Mitglieder der Metalltrichalkogenide haben alle diese Verbindungen eine van-der-Waals-Schichtstruktur mit Honigwabenmotiv gemein. Diese Schichtstruktur in Kombination mit ihren magnetischen Eigenschaften macht diese Verbindungen zu interessanten Kandidaten für die Herstellung von magnetischen Monolagen durch Exfoliation aus Volumenkristallen. Kristalle der Phosphorsulfide wurden mit der chemischen Dampfphasentransporttechnik gezüchtet und für die Züchtung der Germaniumtelluride wurde die Selbstflusstechnik verwendet. Die Kristalle aller Phasen wurden sowohl hinsichtlich ihrer Morphologie, chemischen Zusammensetzung und Homogenität als auch hinsichtlich ihrer Kristallstruktur umfassend charakterisiert. Die Strukturanalyse, insbesondere für Ni2P2S6, gibt Aufschluss über Details der Stapelordnung und -unordnung der entsprechenden quasizweidimensionalen Schichten im Volumen. Bezüglich der magnetischen Eigenschaften ordnen sowohl Fe2P2S6 als auch Ni2P2S6 antiferromagnetisch, zeigen aber unterschiedliche magnetische Anisotropien (d.h. Ising-artige Anisotropie für Fe2P2S6 und XYZ-Anisotropie für Ni2P2S6). In diesem Zusammenhang ist es überraschend, dass Verbindungen im Mischkristallregime von (Fe1-xNix)2P2S6 bis x = 0.9 ein anisotropes magnetisches Verhalten zeigen, das mit dem von Fe2P2S6 vergleichbar ist und daher auf Ising-artige Anisotropie hindeutet. Bei CuCrP2S6 und AgCrP2S6 führt die Anordnung der beiden unterschiedlichen Übergangselemente auf den Gitterplätzen der Wabenstruktur zu komplexeren magnetischen Strukturen. Die magnetischen Cr3+ Atome in CuCrP2S6 ordnen sich in einer Dreiecksanordnung an und bilden einen antiferromagnetischen Grundzustand mit ausgeprägten ferromagnetischen Wechselwirkungen. AgCrP2S6 weist deutliche Merkmale von niederdimensionalem Magnetismus auf, welche aus der (quasi-)eindimensionalen, streifenartigen Anordnung der magnetischen Cr3+ Atome resultieren, und das Einsetzen von langreichweitiger magnetischer Ordnung kann nicht eindeutig beobachtet werden. Cr2Ge2Te6 weist ferromagnetische Ordnung und einen anisotropen Verlauf der Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung auf. Anhand von magnetischen Phasendiagrammen für zwei Orientierungen zwischen Magnetfeld und kristallographischen Richtungen wurden die Temperaturabhängigkeit der magnetokristallinen Anisotropiekonstante sowie die kritischen Exponenten des magnetischen Phasenübergangs extrahiert. Hieraus ergibt sich, dass die magnetischen Wechselwirkungen in Cr2Ge2Te6 überwiegend zweidimensionaler Natur sind und die Anisotropie uniaxial ist, wobei der zuvor erwähnte anisotrope Verlauf aus dem Zusammenspiel von magnetokristalliner Anisotropie, Magnetfeld und Temperatur resultiert. In2Ge2Te6 ist diamagnetisch, wie es für ein System mit geschlossener Schale zu erwarten ist. Zusätzlich zu den Untersuchungen an Einkristallen wurde das quasibinäre Phasendiagramm von (Cu1-xAgx)CrP2S6 anhand von polykristallinen Proben auf Bereiche mit Mischkristallverhalten hin untersucht. Folglich ist eine isostrukturelle Substitution höchstwahrscheinlich im Zusammensetzungsbereich von (Cu0.25Ag0.75)CrP2S6 bis AgCrP2S6 möglich, was es erlauben könnte, die magnetischen Wechselwirkungen des Cr-Untergitters indirekt durch Substitution auf dem Cu/Ag-Untergitter zu beeinflussen.:1. Introduction 1.1. M2X2Ch6 Class of Materials 1.2. Magnetism in Solid State Materials 1.2.1. Diamagnetism 1.2.2. Paramagnetism 1.2.3. Cooperative Magnetism 1.2.4. Magnetic Anisotropy 1.2.5. Magnetism in D < 3 1.2.6. Critical Exponents 2. Methods 2.1. Synthesis and Crystal Growth 2.1.1. Solid State Synthesis 2.1.2. Crystal Growth via the Liquid Phase 2.1.3. Crystal Growth via the Vapor Phase 2.2. X-ray Diffraction 2.2.1. Single Crystal X-ray Diffraction 2.2.2. Powder X-ray Diffraction 2.3. Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.3.1. Scanning Electron Microscopy 2.3.2. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 2.4. Magnetometry 2.5. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2.6. Specific Heat Capacity 3. M2P2S6 3.1. Ni2P2S6 3.1.1. Crystal Growth 3.1.2. Characterization 3.1.3. Magnetic Properties 3.1.4. 31P-NMR Spectroscopy 3.1.5. Stacking (Dis-)Order in Ni2P2S6 3.2. (Fe1-xNix)2P2S6 3.2.1. Synthesis and Crystal Growth 3.2.2. Characterization 3.2.3. Evolution of Magnetic Properties 3.3. Summary and Outlook 4. M1+CrP2S6 4.1. CuCrP2S6 4.1.1. Crystal Growth 4.1.2. Characterization 4.1.3. Magnetic Properties 4.2. AgCrP2S6 4.2.1. Crystal Growth 4.2.2. Characterization 4.2.3. Magnetic Properties 4.3. Polycrystalline (Cu1-xAgx)CrP2S6 4.3.1. Synthesis 4.3.2. Phase Analysis 4.4. Summary and Outlook 5. M2(Ge,Si)2Te6 5.1. Cr2Ge2Te6 5.1.1. Crystal Growth 5.1.2. Characterization 5.1.3. Magnetic Properties 5.1.4. Analysis of the Critical Behavior 5.2. In2Ge2Te6 5.2.1. Crystal Growth 5.2.2. Characterization 5.2.3. Magnetic Properties 5.2.4. Specific Heat 5.3. Summary and Outlook 6. Conclusion Bibliography List of Publications Acknowledgements Eidesstattliche Erklärung A. Appendix A.1. Scanning Electron Microscopic Images A.1.1. (Fe1-xNix)2P2S6 A.2. scXRD A.2.1. (Fe1-xNix)2P2S6

AlGaAs/GaAs- und AlGaAs/GaAs/InGaAs-Quantengraben-Strukturen mit dotiertem Kanal sowie modulationsdotierte AlGaAs/InGaAs/GaAs- Heterostrukturen auf Halbleitermaterialien mit hoher Elektronendriftgeschwindigkeit werden erfolgreich zur Herstellung von Mikro-Hall-Bauelementen eingesetzt. Mit Blick auf ihre Eignung als Magnetfeldsensoren werden die Signal-Linearität, die Sensitivität und das Rauschen bei schwachen und starken elektrischen Feldern untersucht. Auch bei höheren elektrischen Feldern von mehr als 1.8 kV/cm zeigen die Bauelemente mit dotiertem Kanal eine ausgezeichnete Linearität des Signals. Magnetische Empfindlichkeiten von bis zu 600 V/A/T werden im Konstantstrombetrieb gemessen. Unter Verwendung eines Si-δ-dotierten pseudomorphen InGaAs-Quantengrabens wird sowohl eine bessere Sensitivität als auch ein besseres Rauschverhalten erzielt als bei homogen dotiertem GaAs-Kanal. Als beste Signal-Rausch-Empfindlichkeit wird ein Wert von 138 dB/T erreicht für ein Bauelement von 10·10 µm Fläche (bei 300 K, 100 kHz Messfrequenz und 1 Hz Bandbreite). Da das elektrische Verhalten dieser Strukturen besonders durch die hohen Elektronendriftgeschwindigkeiten bestimmt wird, tritt auch bei hohen elektrischen Feldern bis zu 2.4 kV/cm keine Degradation des Bauelementes auf. Als niedrigste Nachweisgrenze für Magnetfelder wird ein Wert von 127 nT/√Hz bestimmt. Verglichen damit, zeigen die modulationsdotierten Bauelemente von 20·20 µm Größe zwar eine höhere Signal-Rausch-Empfindlichkeit von 141 dB/T bei geringen elektrischen Feldern, die sich aber bei höheren Feldstärken stark verschlechtert. Daher haben die Bauelemente mit dotiertem Kanal und pseudomorph verspanntem InGaAs-Quantengraben unter Ausnutzung hoher Elektronendriftgeschwindigkeit bei hohen elektrischen Feldern einige Vorteile gegenüber den modulationsdotierten Strukturen mit hoher Elektronenbeweglichkeit. Untersuchungen der thermischen Stabilität von Bauelementen mit modulationsdotiertem Quantengraben zeigen, dass eine dicke InGaAs-Schicht (innerhalb fixierter Gesamtdicke des GaAs/InGaAs-Kanals) erforderlich ist, um die parasitäre Parallel-Leitfähigkeit des GaAs-Kanals zu vermeiden. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis und bei Verwendung eines hohen Dotierungsgrades werden ausgezeichnete Temperaturstabilitäten von 90 ppm/K im Konstantstrombetrieb und 192 ppm/K im Konstantspannungsbetrieb erzielt. Unabhängig davon zeigen optische Untersuchungen mit Photolumineszenz-Spektroskopie und Raman-Streuung einen hohen Fehlordnungsgrad in dünnen InGaAs-Quantengräben, der dagegen für dicke pseudomorphe InGaAs-Schichten vernachlässigbar ist. Daher resultiert eine dickere InGaAs-Schicht nicht nur in einer höheren absoluten magnetischen Sensitivität und besseren thermischen Stabilität, sondern auch in geringerem 1/f-Rauschen als Ergebnis von Leitfähigkeitsfluktuationen. Besondere Anstrengungen werden unternommen zum Einsatz der Rauschspektroskopie tiefer Zentren zur Untersuchung der Qualität von Halbleitervolumina bzw. -schichten. In Kombination mit den Untersuchungen der betriebsstromabhängigen Sensitivität erweist sich diese Methode als am Besten geeignet für die Optimierung von Mikro-Hall-Bauelementen. Der Einfluss der Skalierung des Bauelementes auf seine Charakteristika wie Rauschen und magnetische Empfindlichkeit wird untersucht. Sowohl die Signal-Rausch-Empfindlichkeit als auch die Grenzempfindlichkeit sind größenabhängig. Der Einfluss der Geometrie auf die Verteilung des elektrischen Feldes wird für die Form eines Griechischen Kreuzes durch numerische Rechnungen simuliert und diskutiert. Abgerundete Ecken erweisen sich als am Besten geeignet für die Herstellung hochsensitiver und rauscharmer Mikro-Hall-Bauelemente. / Doped-channel quantum well (QW) AlGaAs/GaAs and AlGaAs/GaAs/InGaAs as well as modulation-doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures based on high electron drift velocity semiconductors are successfully applied to the fabrication of micro-Hall devices. Considering these devices as magnetic sensors, their properties were characterized in terms of signal linearity, sensitivity and noise at low and high electric fields. Even at electric fields higher than 1.8 kV/cm, the doped-channel devices exhibit an excellent signal linearity. Magnetic sensitivities up to 600 V/T/A in current drive mode are measured. The usage of a Si-δ-doped pseudomorphic InGaAs QW results in better sensitivity and noise performance than does uniformly doped GaAs. A maximal signal-to-noise sensitivity (SNS) of 138 dB/T is achieved in 10 μm square size device at 300 K, 100 kHz frequency and 1 Hz bandwidth. Because the performance in these structures is driven in part by the high electron drift velocity, it does not degrade even at high electric fields up to 2.4 kV/cm and corresponds to a lowest detection limit of 127 nT/√Hz. Comparatively, the modulation-doped devices of 20 μm square size exhibit a higher SNS of 141 dB/T at low electric fields, but degrade at higher fields. Thus, the doped-channel pseudomorphically strained InGaAs QW high-velocity devices have several advantages over modulation-doped high-mobility structures at high electric fields. Thermal stability studies of doped-channel QW devices reveal a thick InGaAs layer (within a fixed total thickness of the GaAs/InGaAs channel) necessary to avoid the parasitic parallel conductivity in GaAs channel. Using this result and a high doping level, superior temperature stabilities of 90 ppm/K in the current drive mode and 192 ppm/K in the voltage drive mode are attained. Independently, optical studies like photoluminescence and Raman scattering reveal a high degree of disorder in thin InGaAs QWs, being negligible for thick pseudomorphic InGaAs layers. Hence, a thick InGaAs layer causes not only a higher absolute magnetic sensitivity and a better thermal stability, but also lower 1/f noise being a result of conductivity fluctuations. Special effort is devoted to the application of deep level noise spectroscopy as a very sensitive probe for semiconductor bulk and layer quality. Combined with supply-current-related sensitivity studies, this method is most suitable for micro-Hall device optimization. The effect of device scaling on device characteristics like noise and absolute magnetic sensitivity is studied. Both the SNS and detection limit are shown as size-dependent. Additionally, geometry effects on the electric field distribution for Greek cross shapes are simulated by numerical calculations and discussed. Rounded corners appear as most appropriate for the fabrication of highly sensitive low-noise micro-Hall devices.

Der Einfluss von Nichtlinearitäten höherer Ordnung der Magnetfelder auf die Leistung des Large Hadron Collider (LHC) und dessen geplante High-Luminosity-Aufrüstung, dem HL-LHC, wurde umfangreich untersucht. Insbesondere hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein solcher Fehler in den Insertion Regions (IR) erhebliche Auswirkungen hat, bedingt durch hohe Beta-Funktionen und Feed-Down auf niedrigere Ordnungen aufgrund der Kreuzungsschemata. Augenmerk dieser Arbeit ist auf die Erforschung diverser Methoden zur effektiven Behandlung dieser Nichtlinearitäten höherer Ordnung gerichtet, mit dem Ziel, sie zu identifizieren und korrigieren, um die Strahloptik zu optimieren und die Maschinenleistung zu verbessern. Simulationsstudien werden eingesetzt, in denen mit verschiedenen Fehlerquellen assoziierte Resonanzantreibende Terme (RDTs) gezielt angegangen werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt Dekapol- und Dodekapolfehlern, die in früheren Messungen im LHC schädliche Auswirkungen durch Feed-Down auf Amplituden-Detuning gezeigt haben. Die erwartete Erhöhung der Sensitivität der Optik gegenüber Fehlern in den IRs des HL-LHC unterstreicht weiter die Bedeutung der Behandlung dieser Fehler. Des Weitern werden Korrekturoptionen mit Hilfe der nichtlinearen Korrektorpaketen entwickelt. Experimentelle Studien werden durchgeführt, um die Ergebnisse zu validieren. Erhebliche Anstrengungen wurden unternommen, um die Feed-Down Effekte von Dekapol- und Dodekapol-Feldfehlern zu mindern. Um diese Herausforderung anzugehen, wurden neuartige Korrekturalgorithmen eingeführt, die erstmals die Dodekapol-Korrektoren in den IRs im operationellen Betrieb ansteuern. Die Ergebnisse dieser Experimente liefern wertvolle Erkenntnisse zur Minderung von Fehlern höherer Ordnung und tragen zum besseren Verständnis der Strahldynamik in modernen und zukünftigen Teilchenbeschleunigern bei. / The impact of high-order nonlinear magnetic field errors on the performance of the Large Hadron Collider (LHC) and its planned High-Luminosity upgrade, the HL-LHC, has been extensively studied. Particularly, the presence of such errors in the Insertion Regions (IR) has shown significant repercussions due to the high beta-functions and feed-down to lower orders caused by crossing schemes. This thesis aims to explore different methods for effectively addressing these high-order errors, with the ultimate goal of identifying and correcting them to optimize beam optics and enhance machine performance. Simulation studies are employed, using a novel and flexible correction algorithm developed during the course of this PhD research. Various strategies are investigated to improve corrections by targeting Resonance Driving Terms (RDTs) associated with diverse error sources. Special attention is devoted to decapole and dodecapole errors, which have demonstrated detrimental effects on amplitude detuning due to feed-down based on previous measurements in the LHC. The anticipated increase in optics sensitivity to errors in the IRs of the HL-LHC further underscores the importance of addressing these errors. Correction options are evaluated, focusing on the utilization of the nonlinear corrector packages to address errors in the new separation and recombination dipoles in the HL-LHC, where increased decapole errors had been expected. Experimental studies are conducted to validate the findings. Significant efforts are dedicated to mitigating the feed-down effects arising from decapole and dodecapole field errors. To address this challenge, novel corrections involving the operational implementation of dodecapole correctors in the IRs have been introduced for the first time. The results of these experiments provide valuable insights into the mitigation of high-order errors and contribute to the overall understanding of beam dynamics in advanced particle accelerators.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit theoretischen Untersuchung von Oberflächenzuständen in ferromagnetischen Halbleitern. Einleitend wird ein analytisches "tight-binding"-Modell zur Beschreibung der Oberflächenzustände. Es liefert Aussagen zur Existenz von Oberflächenzuständen, zu deren spektralen Gewicht und Position bezüglich der Energie. Das Kondogitter-Modell wird verwendet, um Korrelations- und Temperatureffekte sowie Oberflächenzustände zu beschreiben. Dies erfolgt zunächst für sc-(100)-Modellfilme im Rahmen des sf-Modells. Die temperaturabhängigen der Oberflächenzustände zeigen abhängig vom Ort in der Brillouinzone sowie den "hopping"-Parametern in der Oberfläche sowohl Stoner-artiges als auch "spin-mixing"-Verhalten. Mit wachsender Temperatur werden Lebensdauereffekte in den Spektren sichtbar. Das Kondogitter-Modell (KLM) wird auf die Mehrbandsituation zum df-Modell verallgemeinert, um eine Beschreibung der Prototypen für magnetische Halbleiter EuS und EuO zu erreichen. Durch die Kombination von LDA-Bandstrukturrechnungen mit Vielteilchenrechnungen zum Multiband-KLM ist es gelungen, die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit des unbesetzten 5d-Leitungsbandes und das Verhalten der Oberflächenzustände in EuS- und EuO-Filmen realistisch zu beschreiben. Der exakte Grenzfall des Kondogitter-Modells, das magnetischen Polaron (T=0), ermöglicht Kombination von ab-initio-Bandstrukturrechnungen und der Vielteilchentheorie ohne das Auftreten von Doppelzählungen relevanter Wechselwirkungen. Sowohl in EuO als auch in EuS temperaturabhängige Oberflächenzustände beobachtet werden, die im Fall von EuS jedoch schwerer nachzuweisen sind, da sie im Energiebereich des Volumenbandes auftreten. Die für EuS und EuO berechneten Rotverschiebungen sowie die dickenabhängige Magnetisierung von EuS stimmen hervorragend mit experimentellen Befunden überein. Eine Vielzahl von Korrelationseffekten ist mit wachsender Temperatur in den Spektren der unbesetzten Europium-5d-Bänder zu beobachten. / This work is dedicated to the theoretical investigation of surface states in ferromagnetic semiconductors. After the introduction a exact solvable analytical model is presented. It figures out for given conditions if surface states exist, which spectral weight they have, and at which position in energy they can be found. Thereafter the Kondo-Lattice-Model (KLM) is used to describe correlation and temperature effects. The description focuses initially to the sc-(100) model films in the sf-model. The resulting temperature dependent surface states both Stoner behavior and "spin-mixing" behavior dependent on the chosen hopping parameters and the position in the two dimensional Brillouin zone. With increasing temperature (up to Tc) lifetime effects arise in the spectra. In conclusion the KLM is extended to the multi-band situation (df-Model) in order to provide a description of the prototypes of magnetic semiconductor EuS and EuO. We succeed in describing the distinct temperature dependence of the unoccupied 5d-conduction band and the behavior of the surface states in EuS and EuO films realistically by a combination of a LDA band-structure calculation and the manybody theory. The exact limiting case of the KLM (T=0) -the magnetic polaron- allows a combination of a ab-initio band-structure calculation and manybody theory without double counting of any relevant interaction. The presented theory provides numerous results. In EuO and EuS can be found temperature dependent surface states. In case of EuS it''s detection is much more complicated thus the surface state energies are located inside the energy range of the bulk band. The famous redshift in EuS and EuO and the thickness dependent film magnetization of EuS agree very well with the experimental results. A lot of correlation effects are present in the calculated unoccupied Europium 5d bands. With increasing temperature these effects become stronger.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Auftreten verschiedener magnetischer Phasen (Ferro-, Antiferro-, Paramagnetismus) im Kondo-Gitter-Modell (engl. Kondo-lattice model, KLM). Mit dem KLM wird die Wechselwirkung itineranter Elektronen mit lokalisierten magnetischen Momenten beschrieben. Zur Berechnung wichtiger Kenngrößen wird der Green-Funktions-Formalismus verwendet, der schließlich zu einer Näherungslösung führt. Es wird gezeigt, dass eine hinreichend gute Näherung, insbesondere die explizite Betrachtung von Doppelbesetzungen, notwendig ist, um die Resultate nicht zu verfälschen. Es ist damit möglich, Phasendiagramme in Abhängigkeit wichtiger Modellparameter bei verschwindender Temperatur zu berechnen. Um Ergebnisse bei endlichen Temperaturen zu erhalten, wird eine Möglichkeit zur Berechnung der freien Energie eingeführt, die das KLM wesentlich direkter beschreibt als die Standardabbildungsmethode der Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida-Wechselwirkung. Neben der Berechnung des reinen KLMs erlauben diese Methoden auch eine Beschreibung von Systemen mit gebrochener Translationssymmetrie. Konkret werden verdünnte magnetische Halbleiter und dünne magnetische Filmsysteme betrachtet. Es entstehen hier zusätzliche Effekte wie der Ladungstransfer von magnetischen zu unmagnetischen Gitterplätzen oder umgekehrt. Insgesamt zeigt sich außerdem eine qualitative Übereinstimmung mit verschiedenen experimentellen Daten. / This thesis is concerned with the existence of magnetic phases (ferro-, antiferro-, paramagnetism) in the Kondo-lattice model (KLM). The KLM describes an interaction between itinerant electrons and localized magnetic moments. For the calculation of important quantities the Green''s function formalism is used which leads to an approximative solution of the problem. It is shown that a sufficient approximation, in particular the explicit treatment of double occupations, is necessary to avoid a falsification of the results. Thereby it is possible to calculate magnetic phase diagrams in dependence of important model parameters at vanishing temperature. To get results at finite temperature a possibility for the calculation of the free energy is introduced, which describes the KLM more directly than the standard procedure of the Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida interaction. Besides the calculation of the pure KLM these methods permit a description of systems with a reduced translational symmetry. More precisely diluted magnetic semiconductors and thin magnetic films systems are treated. In these system new effects arise such as the charge transfer from magnetic to non-magnetic sites and vice versa. All in all there is also a qualitative agreement with several experimental data.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der mikromagnetischen Domänenstruktur und des gekoppelten magneto-strukturellen Phasenübergangs dünner epitaktischer MnAs-Filme auf GaAs. Im Besonderen wird der Einfluss der Substratorientierung, der Filmdicke und eines externen magnetischen Feldes auf die magnetischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Dabei kommen die komplementären Untersuchungsmethoden AFM (atomic force microscopy) / MFM (magnetic force microscopy) und LEEM (low energy electron microscopy) / XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) zum Einsatz. Im Zuge des Phasenübergangs erster Ordnung zeigen MnAs Filme auf GaAs (001) und (311)A eine regelmäßige Anordnung ferromagnetischer alpha-MnAs und paramagnetischer beta-MnAs Streifen. Die Breite der Streifen ist eine Funktion der Temperatur, während die Periodizität eine lineare Funktion der Filmdicke ist. Die Domänenstruktur hängt stark von der Breite bzw. dem Abstand der ferromagnetischen Streifen ab, da diese direkt die Formanisotropie bzw. die magnetische Kopplung beeinflussen. Die Domänenstrukturen wird, abhängig von der Zahl der Subdomänen entlang der leichten Magnetisierungsrichtung, klassifiziert, wobei bis zu drei elementare Domänentypen beobachtet werden. Bei MnAs-Filmen die auf der GaAs (111)B Oberfläche gewachsen wurden, führt die Epitaxie zu einem geänderten Spannungszustands des Films, wobei eine erhöhte Phasenübergangstemperatur beobachtet wird. Durch temperaturabhängige XMCDPEEM-, AFM- und MFM-Messungen kann gezeigt werden, daß durch den lokalen Abbau der Verspannung in der Nähe eines Risses die Phasenübergangstemperatur lokal erhöht ist. Um Ummagnetisierungsprozesse auf einer mikroskopischen Skala untersuchen zu können und um den Einfluß eines magnetischen Feldes auf die Domänenstruktur sichtbar zu machen, wurde das temperaturvariable Rastersondenmikroskop um einen variablen Magnetfeldaufbau ergänzt. / This work presents the study of the micromagnetic domain structure and the coupled magneto-structural phase transition of epitaxial MnAs thin films on GaAs. In particular, the influence of substrate orientation, film thickness and external magnetic field on the magnetic and structural properties are investigated, employing the complementary measurement techniques atomic force microscopy (AFM) / magnetic force microscopy (MFM) and low energy electron microscopy (LEEM) / X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy (XMCDPEEM. In the course of the first-order phase transition MnAs films on GaAs (001) and (311)A substrates show a regular array of ferromagnetic alpha- and paramagnetic beta-MnAs stripes. The width of the ferromagnetic stripes are a function of the temperature, whereas the periodicity of the stripe pattern is a function of the film thickness. The domain structure strongly depends on the width and the distance of the ferromagnetic stripes, as it directly affects the shape anisotropy and magnetic coupling, respectively. The domain patterns are classified depending on the number of subdomains along the easy axis direction. Up to three basic domain types can be distinguished. For MnAs films grown on GaAs (111)B, the epitaxy leads to a different strain state of the film, resulting in polygonal ferromagnetic structures embedded in a honeycomb-like paramagnetic network, and a higher phase transition temperature. Using temperature-dependent AFM, MFM and XMCDPEEM it is shown that the local strain relaxation in the vicinity of cracks in the MnAs film results in a locally increased phase transition temperature. In order to study magnetization reversal processes on a microscopic scale, as well as the influence of the magnetic field on the domain structure, a variable-magnetic field set-up is employed.

Solid state physics comprises many interesting physical phenomena driven by the complex interplay of the crystal structure, magnetic and orbital degrees of freedom, quantum fluctuations and correlation. The discovery of materials which exhibit exotic phenomena like low dimensional magnetism, superconductivity, thermoelectricity or multiferroic behavior leads to various applications which even directly influence our daily live. For such technical applications and the purposive modification of materials, the understanding of the underlying mechanisms in solids is a precondition. Nowadays DFT based band structure programs become broadly available with the possibility to calculate systems with several hundreds of atoms in reasonable time scales and high accuracy using standard computers due to the rapid technical and conceptional development in the last decades. These improvements allow to study physical properties of solids from their crystal structure and support the search for underlying mechanisms of different phenomena from microscopic grounds. This thesis focuses on the theoretical description of low dimensional magnets and intermetallic compounds. We combine DFT based electronic structure and model calculations to develop the magnetic properties of the compounds from microscopic grounds. The developed, intuitive pictures were challenged by model simulations with various experiments, probing microscopic and macroscopic properties, such as thermodynamic measurements, high field magnetization, nuclear magnetic resonance or electron spin resonance experiments. This combined approach allows to investigate the close interplay of the crystal structure and the magnetic properties of complex materials in close collaboration with experimentalists. In turn, the systematic variation of intrinsic parameters by substitution or of extrinsic factors, like magnetic field, temperature or pressure is an efficient way to probe the derived models. Especially pressure allows a continuous change of the crystal structure on a rather large energy scale without the chemical complexity of substitution, thus being an ideal tool to consistently alter the electronic structure in a controlled way. Our theoretical results not only provide reliable descriptions of real materials, exhibiting disorder, partial site occupation and/or strong correlations, but also predict fascinating phenomena upon extreme conditions. In parts this theoretical predictions were already confirmed by own experiments on large scale facilities. Whereas in the first part of this work the main purpose was to develop reliable magnetic models of low dimensional magnets, in the second part we unraveled the underlying mechanism for different phase transitions upon pressure. In more detail, the first part of this thesis is focused on the magnetic ground states of spin 1/2 transition metal compounds which show fascinating phase diagrams with many unusual ground states, including various types of magnetic order, like helical states exhibiting different pitch angles, driven by the intimate interplay of structural details and quantum fluctuations. The exact arrangement and the connection of the magnetically active building blocks within these materials determine the hybridization, orbital occupation, and orbital orientation, this way altering the exchange paths and strengths of magnetic interaction within the system and consequently being crucial for the formation of the respective ground states. The spin 1/2 transition metal compounds, which have been investigated in this work, illustrate the great variety of exciting phenomena fueling the huge interest in this class of materials. We focused on cuprates with magnetically active CuO4 plaquettes, mainly arranged into edge sharing geometries. The influence of structural peculiarities, as distortion, folding, changed bonding angles, substitution or exchanged ligands has been studied with respect to their relevance for the magnetic ground state. Besides the detailed description of the magnetic ground states of selected compounds, we attempted to unravel the origin for the formation of a particular magnetic ground state by deriving general trends and relations for this class of compounds. The details of the treatment of the correlation and influence of structural peculiarities like distortion or the bond angles are evaluated carefully. In the second part of this work we presented the results of joint theoretical and experimental studies for intermetallic compounds, all exhibiting an isostructural phase transition upon pressure. Many different driving forces for such phase transitions are known like quantum fluctuations, valence instabilities or magnetic ordering. The combination of extensive computational studies and high pressure XRD, XAS and XMCD experiments using synchrotron radiation reveals completely different underlying mechanism for the onset of the phase transitions in YCo5, SrFe2As2 and EuPd3Bx. This thesis demonstrates on a series of complex compounds that the combination of ab-initio electronic structure calculations with numerical simulations and with various experimental techniques is an extremely powerful tool for a successful description of the intriguing quantum phenomena in solids. This approach is able to reduce the complex behavior of real materials to simple but appropriate models, this way providing a deep understanding for the underlying mechanisms and an intuitive picture for many phenomena. In addition, the close interaction of theory and experiment stimulates the improvement and refinement of the methods in both areas, pioneering the grounds for more and more precise descriptions. Further pushing the limits of these mighty techniques will not only be a precondition for the success of fundamental research at the frontier between physics and chemistry, but also enables an advanced material design on computational grounds.