Magnetismus ist ein Phänomen, das eine wichtige Rolle in einer Vielfalt technischer Anwendungen spielt. Ohne den Einsatz magnetischer Effekte und Materialen wäre der heutzutage erreichte technische Fortschritt unmöglich, da viele grundlegende Techniken wie Stromerzeugung, elektrischer Antrieb, Informationsübertragung und viele andere auf magnetische bzw. elektromagnetische Phänomene zurückzuführen sind. Dabei haben die ferromagnetischen Materialen stets zur Effizienz von elektrischen und elektronischen Anwendungen beigetragen, weswegen an diesen Materialen auch entsprechend viel geforscht worden ist. Moderne Technologien, insb. Massenspeicher basieren oft auf Ferromagneten und erfordern daher die weitere Erforschung und Anpassung ihrer Eigenschaften. Für die Funktionalität von Hochgeschwindigkeitsgeräten spielt das dynamische Verhalten dünner magnetischer Schichten eine kritische Rolle. In dieser Arbeit wird die Magnetisierungsdynamik dünner Schichtelemente mittels zeitaufgelöster Weitfeld- Kerrmikroskopie untersucht. Dies ist ein aktuelles Thema, an dem in den letzten Jahren sehr intensiv gearbeitet wird. Allerdings sind viele für die Anwendungen sehr wichtige Details des magnetischen Schaltens wegen ihre Vielfältigkeit und Komplexität doch nicht vollständig untersucht und verstanden. In dieser Arbeit werden überwiegend experimentelle Ergebnisse vorgestellt, die einen zusätzlichen Beitrag zum aktuellen Wissenstand leisten. In einem ferromagnetischen Körper bilden sich Bereiche mit spontaner Magnetisierung, die man als Domänen bezeichnet. Die spontane Magnetisierung entsteht aufgrund der Spin-Spin Wechselwirkung, und die Domänen bilden sich aufgrund der Energieminimierung des magnetisierten Körpers. Langsame Magnetisierungsprozesse werden im Wesentlichen getragen von Domänenumordnungen und Domänengrenzenverschiebungen. Solche Prozesse bezeichnet man als quasistatisch, da sich der Körper durch deren Langsamkeit immer im Gleichgewicht oder zumindest sehr nahe daran befindet. Mit zunehmender Anregungsgeschwindigkeit gilt diese Annahme nicht mehr, da die Präzessionsbewegung der magnetischen Momente das Schaltverhalten in diesem Fall definiert. Die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik setzt die Möglichkeit voraus, nicht-unterbrochene Prozesse beobachten zu können. Dieses Ziel kann mittels stroboskopischer Abbildung erreicht werden. Dabei wird derselbe Prozess kontinuierlich wiederholt (vorausgesetzt, dass die Prozesse sich reproduzierbar wiederholen lassen), und zu definierten Zeitpunkten werden die entsprechenden Kerraufnahmen gemacht. Dafür wird eine CCD Kamera mit einem Photoverstärker benutzt, welcher als optischer Schalter fungiert. Die Zeitauflösung dieses Systems und damit auch das Vermögen, die Hochfrequenzvorgänge abzubilden, beträgt 250 ps. Die Eigenschaften des magnetischen Umschaltens hängen stark von der Elementgeometrie ab. Diese Unterschiede sind auf unterschiedliche Entmagnetisierungsfaktoren, und damit auf Unterschiede in den effektiven Feldern zurückzuführen. Solche Unterschiede werden auf zwei Weisen initiiert: ein quadratisches Element wird entlang unterschiedlicher Richtungen (entlang der Seite und der Diagonalen) angeregt; die Form des Elementes wird zwischen Quadrat und Rechteck mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen variiert. Die beobachteten Schaltvorgänge werden miteinander verglichen und die Ergebnisse dargestellt. Dabei werden auch die dynamischen Vorgänge immer mit den quasistatischen verglichen. Aus dem Vergleich folgt, dass ein steigendes Seitenverhältnis zur geringeren Schaltgeschwindigkeit führt, und dass die dabei entstehenden Domänen zunehmend komplexer werden. Dabei gibt es wesentliche Unterschiede zwischen den dynamischen und quasistatischen Domänen, vor allem in der Domänenwandstruktur. Das Schalten an sich unterscheidet sich auch sehr stark. Quasistatisches Schalten erfolgt überwiegend durch Domänenwandbewegung, während das dynamische Schalten durch inkohärente Rotation der Magnetisierung im ganzen Element erfolgt. Das Hochfrequenzverhalten am Prototypen eines Mikroinduktors wird untersucht. Der Induktor besteht aus vielen magnetischen Elementen, die eine induzierte uniaxiale Anisotropie besitzen. Diese ist bei der Hälfte der Elemente entlang des Magnetfeldes, und bei der anderen Hälfte senkrecht zum Magnetfeld der Spule ausgerichtet. Das dynamische Verhalten der beiden Elementtypen unterscheidet sich stark, vor allem die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit. Diese Unterschiede können zu einer Phasenverschiebung im elektrischen Signal führen, was die Effizienz des Induktors senkt. Durch die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik in Wechselfeldern unterschiedlicher Frequenz ist auch festgestellt worden, dass bis 100 MHz die Magnetisierungsvorgänge überwiegend durch Domänenwandbewegung erfolgen, während ab 200 MHz- Rotationsprozesse stattfinden.

We report the fabrication of Ni2.7Mn0.9Ga0.4/InGaAs bilayers on GaAs (001)/InGaAs substrates by molecular beam epitaxy. To form freestanding microtubes the bilayers have been released from the substrate by strain engineering. Microtubes with up to three windings have been successfully realized by tailoring the size and strain of the bilayer. The structure and magnetic properties of both, the initial films and the rolled-up microtubes, are investigated by electron microscopy, X-ray techniques and magnetization measurements. A tetragonal lattice with c/a = 2.03 (film) and c/a = 2.01 (tube) is identified for the Ni2.7Mn0.9Ga0.4 alloy. Furthermore, a significant influence of the cylindrical geometry and strain relaxation induced by roll-up on the magnetic properties of the tube is found. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

We have studied the effect of the dipolar magnetic coupling (also known as Néel coupling or "orange-peel" coupling) in tunneling magnetoresistive (TMR) elements. With an in situ scanning tunneling microscope we directly accessed the roughness of the films and found a close correspondence between the values for the coupling fields determined by the magneto-optical Kerr effect and the ones computed on the basis of the measured morphology parameters. We confirm an increase of the dipole coupling between magnetic layers with decreasing barrier thickness as predicted by the model. Deviations from the theoretical predictions are observed for the case of thinner soft magnetic layers, which can be explained by reduced magnetisation in very thin films. We demonstrate the importance of dipolar coupling for understanding the magnetic behaviour of TMR elements by comparing TMR curves for optimised and nonoptimised structures.

This thesis is a follow-up to several bachelor and diploma theses which were dedicated to creating solved problems for Electronic Collection of Solved Problems in Electromagnetism. The first goal of this thesis was to make a short survey about electronic resources in electromagnetism, especially those which contain solved problems and provide open access to their contents. The second goal was to make a small collection of solved problems in this area which would be suitable for undergraduate students and which would fill in chapters with little amount of problems in the Electronic Collection. This Electronic Collection is openly accesible on the website of Department of Physics Education. Total of 30 solved problems have been made in this thesis, including hints, detailed solutions and suitable pictures. Methodical comments are also available for almost all problems.

Magnetische Nanopartikel bieten ein großes Potential, da sie einerseits die Eigenschaften ihrer Bulk-Materialien besitzen und anderseits, auf Grund ihrer Größe, über komplett unterschiedliche magnetische Eigenschaften verfügen können; Superparamagnetismus ist eine dieser Eigenschaften. Die meisten etablierten Anwendungen magnetischer Nanopartikel basieren heutzutage auf Eisenoxiden. Diese bieten gute magnetische Eigenschaften, sind chemisch relativ stabil, ungiftig und lassen sich auf vielen Synthesewegen relativ einfach herstellen. Die magnetischen Eigenschaften der Eisenoxide sind materialabhängig aber begrenzt, weshalb nach anderen Verbindungen mit besseren Eigenschaften gesucht werden muss. Eisencarbid (Fe3C) kann eine dieser Verbindungen sein. Dieses besitzt vergleichbare positive Eigenschaften wie Eisenoxid, jedoch viel bessere magnetische Eigenschaften, speziell eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Bis jetzt wurde Fe3C hauptsächlich in Gasphasenabscheidungsprozessen synthetisiert oder als Nebenprodukt bei der Synthese von Kohlenstoffstrukturen gefunden. Eine Methode, mit der gezielt Fe3C-Nanopartikel und andere Metallcarbide synthetisiert werden können, ist die „Harnstoff-Glas-Route“. Neben den Metallcarbiden können mit dieser Methode auch die entsprechenden Metallnitride synthetisiert werden, was die breite Anwendbarkeit der Methode unterstreicht. Die „Harnstoff-Glas-Route“ ist eine Kombination eines Sol-Gel-Prozesses mit einer anschließenden carbothermalen Reduktion/Nitridierung bei höheren Temperaturen. Sie bietet den Vorteil einer einfachen und schnellen Synthese verschiedener Metallcarbide/nitride. Der Schwerpunkt in dieser Arbeit lag auf der Synthese von Eisencarbiden/nitriden, aber auch Nickel und Kobalt wurden betrachtet. Durch die Variation der Syntheseparameter konnten verschiedene Eisencarbid/nitrid Nanostrukturen synthetisiert werden. Fe3C-Nanopartikel im Größenbereich von d = 5 – 10 nm konnten, durch die Verwendung von Eisenchlorid, hergestellt werden. Die Nanopartikel weisen durch ihre geringe Größe superparamagnetische Eigenschaften auf und besitzen, im Vergleich zu Eisenoxid Nanopartikeln im gleichen Größenbereich, eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Diese konnten in fortführenden Experimenten erfolgreich in ionischen Flüssigkeiten und durch ein Polymer-Coating, im wässrigen Medium, dispergiert werden. Desweiteren wurde durch ein Templatieren mit kolloidalem Silika eine mesoporöse Fe3C-Nanostruktur hergestellt. Diese konnte erfolgreich in der katalytischen Spaltung von Ammoniak getestet werden. Mit der Verwendung von Eisenacetylacetonat konnten neben Fe3C-Nanopartikeln, nur durch Variation der Reaktionsparameter, auch Fe7C3- und Fe3N-Nanopartikel synthetisiert werden. Speziell für die Fe3C-Nanopartikel konnte die Sättigungsmagnetisierung, im Vergleich zu den mit Eisenchlorid synthetisierten Nanopartikeln, nochmals erhöht werden. Versuche mit Nickelacetat führten zu Nickelnitrid (Ni3N) Nanokristallen. Eine zusätzliche metallische Nickelphase führte zu einer Selbstorganisation der Partikel in Scheiben-ähnliche Überstrukturen. Mittels Kobaltacetat konnten, in Sphären aggregierte, metallische Kobalt Nanopartikel synthetisiert werden. Kobaltcarbid/nitrid war mit den gegebenen Syntheseparametern nicht zugänglich. / Magnetic nanoparticles offer a great potential, because they exhibit on the one hand the properties of their bulk materials and on the other hand, because of their size, completely different magnetic properties. The most established applications of magnetic nanoparticles are based on iron oxide. These oxides have good magnetic properties, they are chemical relatively stable, non toxic and easy to prepare. But the magnetic properties are limited. Therefore, we need new materials with improved magnetic properties. Iron carbide (Fe3C) could be one of these materials. Up to now, Fe3C was mainly synthesized in chemical vapor deposition processes (CVD) or was found as side product in the synthesis of carbon structures. A method for the systematical synthesis of metal carbides is the “Urea-Glass-Route”. In addition to the synthesis of metal carbides, this method allows to synthesize metal nitrides, which shows the broad practicability. The “Urea-Glass-Route” is a combination of a sol-gel process with following carbothermal reduction/nitridation at higher temperatures. The method is fast and simple and it is possible to synthesis different metal carbides/nitrides. The main topic of this work is the synthesis of iron carbide/nitride, but also cobalt and nickel is examined. By varying the synthesis parameters, different iron carbide/nitride nanostructures could be synthesized. With the use of iron chloride, Fe3C nanoparticles, in the size range of d = 5 – 10 nm, could be produced. Because of their small size, the particles show superparamagnetism and compared to iron oxide particles (in the same size range) a higher saturation magnetization. In following experiments, the particles could be successfully dispersed in an ionic liquid and with a polymer coating in aqueous medium. Furthermore, via templating with colloidal silica a mesoporous Fe3C structure could be synthesized. The material could be successfully tested in the catalytic ammonia decomposition. By changing the iron source to iron acetylacetonate, Fe7C3 and Fe3N nanoparticles, in addition to Fe3C, could be also synthesized. With nickel acetate it was possible to synthesize nickel nitride (Ni3N) nano crystals. An additional metallic nickel phase in the sample leads to a self organization to disk-like superlattice. Via cobalt acetate, in spheres aggregated, metallic cobalt nanoparticles could be synthesized. Cobalt carbide or nitride was not accessible under these synthesis parameters.

In this thesis, specific heat, magnetic susceptibility and resistivity studies on the iron-pnictide superconductors LiFeAs, NaFe1-xCoxAs, AFe2As2 (A = K, Ca, Ba), M1-xNaxFe2As2 (M = Ca, Ba), and Ca(Fe1-xCox)2Fe2As2 are presented, from which different intrinsic physical properties are resolved. The combined first-order spindensity wave/structural transition which occurs in the parent compounds of the 122 pnictide systems is shown to gradually shift to lower temperature for low doping levels. Upon higher doping, this transition is completely suppressed and simultaneously, superconductivity appears at lower temperature. In contrast, the phase diagram in Ca(Fe1-xCox)2Fe2As2 is shown to exhibit a pronounced region of coexistence of magnetism and superconductivity. Further important results reported in this work concern the electronic properties and superconducting-gap characteristics. In LiFeAs, the zero-field temperature dependence of the electronic specific heat can be well described by two s-wave gaps, whose magnitudes are in agreement with ARPES results. Our gap analysis in KFe2As2, Ca0.32Na0.68Fe2As2, and Ba0.65Na0.35Fe2As2 single crystals also implies the presence of two s-wave-like gaps. The magnetic phase diagram of LiFeAs and KFe2As2 for magnetic fields along both principal orientations has been constructed and an anisotropy of Hc2(T) of 3 and 5, respectively, has been obtained.

In my work, magnetic and structural transitions of three categories of compounds are investigated by density functional calculations under local spin density approximation (LSDA). The first compound is Rh2MnGe with full Heusler structure at ambient condition. However, the structure is unstable at T=0 according to our calculations. A more stable structure we found is tetragonal one with either extension or compression along c-axis. The electronic reason of this distortion is the band Jahn-Teller effect where the Jahn-Teller active states are 4d states of Rh which is accidently put at the Fermi level by spin splitting. Then, magnetic moment behavior under pressure in itinerant compounds is investigated in four cubic Laves phase compounds (YFe2, ZrFe2, HfFe2, and LuFe2). The magnetic spin moment is decreased under pressure. A magnetic collapse where the spin moment vanishes is predicted under pressure around 20 GPa for Zr and Hf compounds, 40 GPa for Y and Lu compounds. The behavior of the magnetic moment is the result of competition between magnetic exchange interactions and kinetic energy during the compression of the volume, as described by the Stoner model. The last material investigated is CoO using LDSA+U in order to describe the strong Coulombic interaction of the transition metal ion. The pressure induced a magnetic transition, which was discovered in experiments, is explained by the competition between ligand field splitting and exchange energy. The ligand field splitting is increased under pressure, and suppresses the intraatomic exchange. As a result, the spin state changes from high spin to low spin, and at last to nonmagnetic state.

Die eingereichte Dissertation befasst sich mit Übergangsmetalloxid-Nanostrukturen, wobei quasi-eindimensionale Materialien im Mittelpunkt stehen, z.B. Nanoröhren und Nanostäbe. Mittels Suszeptibilitäts- bzw. EELS-Messungen wurden magnetische und elektronische Eigenschaften verschiedener Nanoverbindungen untersucht. Zur weiteren Charakterisierung der Proben wurden außerdem Magnetisierungsmessungen (VSM, Pulsfeld), optische Spektroskopie, AC-Suszeptibilitätsmessungen, Messungen der spezifischen Wärme sowie NMR- und ESR-Experimente durchgeführt. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit sind Vanadiumoxid-Verbindungen, wobei Vanadiumoxid-Nanoröhren (VOxNT) aufgrund ihrer besonderen Morphologie eine Sonderstellung unter den vorgestellten Materialien besitzen. Suszeptibilitätsmessungen an den VOxNT offenbaren aktiviertes Verhalten bei Temperaturen T > 100 K, was auf V4+-Spindimere zurückgeführt werden kann. Zudem existieren quasi-freie V4+-Momente sowie längere Spinkettenfragmente, z.B. Trimere. Elektronische Anregungen im Valenzband können wahrscheinlich dem Platzwechsel von 3d-Elektronen zwischen V4+- und V5+-Plätzen innerhalb der gemischtvalenten V-O-Ebenen zugeschrieben werden. Durch Dotierung mit Alkalimetallen ist es möglich, die V 3d-Niveaus mit zusätzlichen Elektronen zu besetzen und dadurch die Vanadiumvalenz zu beeinflussen (V5+ -> V4+ -> V3+). Die dabei auftretenden stärkeren Coulombabstoßungen zwischen den V 3d-Elektronen beeinträchtigen die Mobilität der Ladungsträger. Ebenso wurde gezeigt, dass sich durch die Dotierung mit Ammoniak und anderen Übergangsmetallionen die Vanadiumvalenz sowie der Magnetismus der VOxNT beeinflussen lassen. Die Ergebnisse von weiteren Vanadiumoxid-Nanostrukturen - Co0.33V2O5, alpha-NaV2O5, VO2(B) sowie V3O7·H2O-Nanokristallen - zeigen, dass sehr unterschiedliches magnetisches Verhalten wie Paarbildung zwischen V4+-Spins, antiferromagnetisch gekoppelte Spinketten oder ein Phasenübergang zwischen zwei paramagnetischen Temperaturbereichen auf Nanoebene realisiert werden kann. Die magnetischen Eigenschaften von MnO2-Nanostäben sind durch starke Kopplungen und Frustration zwischen den Mn-Spins gekennzeichnet. Außerdem zeigt die Verbindung Merkmale eines Spinglases. Durch Dotierung mit Elektronen lässt sich bei diesem Material die Mn-Valenz verändern. Schließlich zeigen erste Charakterisierungsmessungen an übergangsmetalldotierten MoO3-Nanobändern paramagnetisches Verhalten dieser Systeme.

Magnetic force microscopy (MFM) is a widely-used technique for measuring the local magnetic properties of a variety of materials. This method covers a large fi eld of applications ranging from fundamental research of micro-magnetic phenomena to industrial applications in the development of magnetic recording components. The image formation in MFM measurements is based on the magneto-static interaction of a sharp magnetic tip with the probed sample. Despite the fact that MFM is quite easy to perform, image interpretation remains challenging. This is due to the accurate characterization of the probing tip that is needed for a quantitative interpretation of the MFM data in terms of the local magnetic properties of the sample. This thesis examines the fabrication and utilization of special MFM probes based on single ferromagnetic nanoparticles as the magnetically interacting element. A magnetic probe that consists of a very small magnetic single-domain particle can be accurately described by a magnetic point dipole. Such a probe potentially yields an improved lateral resolution and a simplifi ed quantitative interpretation of MFM images compared to a standard thin-fi lm coated MFM tip. First of all, one part of this thesis examines the fabrication of suitable single-domain particles. In particular, this part is focussed on experiments concerning the protection of these particles from oxidation in ambient conditions. To this end, these ferromagnetic particles were coated with gold using the light-induced deposition of gold in a photoactive metal-salt solution. The chemical surface passivation of the particles by the gold coating was verifi ed using diff erent techniques (SQUID, MFM). In the next step, these particles were mechanically affi xed to a standard silicon tip of atomic force microscopy (AFM). The controlled attachment of a single particle, as well as the attachment of multiple particles to such a Si-AFM tip was demonstrated. Another part of the thesis examines the magnetic imaging with particle based probes in MFM experiments. A minimum of four cobalt particles affi xed to the tip was determined as the threshold for obtaining a reasonable MFM signal. It was possible to image the magnetic domain structure of a hard disk drive sample with these particle probes. Using a simulation of the MFM data, the orientation and the position of the e ffective tip dipole were determined. The e ffective dipole moment of the tip is found by a calibration experiment assuming a magnetic dipole-dipole interaction between the tip and another magnetic particle.

In the thesis at hand, different concepts of magnetic recording were investigated both from an experimental and theoretical point of view. On the one hand, micromagnetic simulations of bit patterned media were performed examining the influence of magnetic and geometrical parameters on the magnetization reversal mechanism of the bit array. In this regard, the recording concept called exchange coupled composite (ECC) media was applied in combination with bit patterned media (BPM). It was demonstrated that ECC/BPM is superior in terms of narrowing the SFD which is vital for the implementation of BPM as a recording scheme in magnetic data storage deviced. Moreover, the stability of the magnetic state was calculated for single nanomagnets using the nudged elastic band algorithm. It was found out that the magnetic and geometrical properties have a severe influence on both, the energy barrier for magnetization reversal and the magnetization reversal process of the single nanomagnets. On the other hand, experimental studies of granular CoCrPt:SiO2 films deposited on self-assembled arrays of SiO2 nanoparticles with a size from 10 nm to 330 nm have been carried out, showing a distinct size-dependence of the coercive field and remanent magnetization with changing nanoparticle size. Moreover, these films have been irradiated with Co+ ions with different fluences, resulting in a change of the magnetic properties of the films due to both a change of the intergranular exchange coupling of the film and a degredation of the magnetic layers at higher irradiation fluences.