Dirac fermions provide a prototypical description of topological insulators and their gapless boundary states, which are predicted by the bulk-boundary correspondence. Motivated by the unusual physical properties of these states, we study them in two different Hermitian quantum systems. In non-Hermitian systems, we investigate the failure of the bulk-boundary correspondence and show that non-Hermitian topological invariants impact a system’s bulk response. First, we study electronic topological insulators in three dimensions with time-reversal symmetry. These can be characterized by a quantized magnetoelectric coefficient in the bulk, which, however, does not yield an experimentally observable response. We show that the signature response of a time-reversal-invariant topological insulator is a nonlinear magnetoelectric effect, which in the presence of a small electric field leads to the appearance of half-integer charges bound to a magnetic flux quantum. Next, we consider topological superconducting nanowires. These feature Majorana zero modes at their ends, which combine nonlocally into a single electronic state. An electron tunneling through such a state will be transmitted phase-coherently from one end of the wire to the other. We compute the transmission phase for nanowires with broken time-reversal symmetry and confirm that it is independent of the wire length. Turning to non-Hermitian systems, we consider planar optical microcavities with an anisotropic cavity material, which may feature topological degeneracies known as excep- tional points in their complex frequency spectrum. We present a quantitative method to extract an effective non-Hermitian Hamiltonian for the eigenmodes, and describe how a pair of exceptional points arises from a Dirac point due to the cavity loss. Finally, we investigate generalized topological invariants that can be defined for non- Hermitian systems, but which have no counterpart (i.e. vanish) in Hermitian systems, for example the so-called non-Hermitian winding number in one dimension. Contrary to Hermitian systems, the bulk-boundary correspondence breaks down: Comparing Green functions for periodic and open boundary conditions, we find that in general there is no correspondence between topological invariants computed for periodic boundary con- ditions, and boundary eigenstates observed for open boundary conditions. Instead, we prove that the non-Hermitian winding number in one dimension signals a topological phase transition in the bulk: It implies spatial growth of the bulk Green function, which we define as the response of a gapped system to an external perturbation on timescales where the induced excitations have not propagated to the boundary yet. Since periodic systems cannot accommodate such spatial growth, they differ from open ones.

Magnetoelectricity (ME) is a physical property that results from an exchange between polar (electric dipole) and spin (magnetic dipole) subsystem: i.e., a change in polarization (P) with application of magnetic field (H), or a change in magnetization (M) with applied electric field (E). Magnetoelectricity can be found both in single phase and composite materials. Compared with single phase multiferroic materials, composite multiferroics have higher ME effects. Through a strictive interaction between the piezoelectricity of the ferroelectric phase and the magnetostriction of the ferromagnetic phase, said multiferroic composites are capable of producing relatively large ME coefficients. This Dissertation focused on the deposition and characterization of two-phase composite magnetoelectric thin films. First, single phase ferroelectric thin films were studied to improve the multiferroic properties of the composite thin films. Then structural, ferroelectric, ferromagnetic, and magnetoelectric properties of composite thin films were researched. Finally, regular nano-array composite films were deposited and characterized. First, for single phase ferroelectric thin films, the phase stability was controlled by epitaxial engineering. Because ferroelectric properties are strongly related to their crystal structure, it is necessary to study the crystal structures in single phase ferroelectric thin films. Through constraint of the substrates, the phase stability of the ferroelectric thin films were able to be altered. Epitaxial thin-layers of Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 (or PFN) grown on (001), (110), and (111) SrTiO3 substrates are tetragonal, orthorhombic, and rhombohedral respectively. The larger constraint stress induces higher piezoelectric constants in tetragonal PFN thin film. Epitaxial thin-layers of Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 (or PZT) grown on (001), (110), and (111) SrTiO3 substrates are tetragonal, monoclinic C, and rhombohedral respectively. Enhanced ferroelectric properties were found in the low symmetry monoclinic phase. A triclinic phase in BFO was observed when it was deposited on tilted (001) STO substrates by selecting low symmetry (or interim) orientations of single crystal substrates. Then, in two phase composite magnetoelectric thin films, the morphology stability was controlled by epitaxial engineering. Because multiferroic properties are strongly related to the nano-structures of the composite thin films, it is necessary to research the nano-structures in composite thin films. Nano-belt structures were observed in both BaTiO3-CoFe2O4 and BiFeO3-CoFe2O4 systems: by changing the orientation of substrates or annealing condition, the nano-pillar structure could be changed into nano-belts structure. By doing so, the anisotropy of ferromagnetic properties changes accordingly. The multi-ferroic properties and magnetoelectric properties or (001), (110) and (111) self-assembled BiFeO3-CoFe2O4 nano-composite thin film were also measured. Finally, the regular CoFe2O4-BiFeO3 nano-array composite was deposited by pulsed laser deposition patterned using a focused ion beam. Top and cross-section views of the composite thin film showed an ordered CoFe2O4 nano-array embedded in a BiFeO3 matrix. Multiferroic and magnetoelectric properties were measured by piezoresponse force microscopy and magnetic force microscopy. Results show (i) switching of the magnetization in ferromagnetic CoFe2O4 and of the polarization in ferroelectric BiFeO3 phases under external magnetic and electric field respectively, and (ii) changes of the magnetization of CoFe2O4 by applying an electric field to the BiFeO3 phase. / Ph. D.

Tesis por compendio / [ES] El aumento de la esperanza de vida conlleva la aparición de problemas muscoloesqueléticos afectando a la calidad de vida de los pacientes. Las nuevas terapias regenerativas óseas se centran en el uso de las células madre mesenquimales, MSCs, encargadas de la regeneración del tejido in vivo. La inducción de un fenotipo osteogénico prediferenciado in vitro, previo a la implantación de las MSCs, resulta en una mejor capacidad de regeneración del tejido óseo. Habitualmente se han empleado medios de diferenciación osteogénica que contienen dexametasona. Estos métodos son poco eficientes, por lo que el uso de métodos físicos está adquiriendo relevancia. El hueso es un tejido con propiedades piezoeléctricas debido a las fibras de colágeno que forman parte de su matriz extracelular. Este estímulo ha sido relacionado con su capacidad de responder al estrés mecánico y autoregenerarse, donde juegan un papel importante las MSCs. Éstas se encuentran en un entorno electroactivo, y son precisamente estas señales físicas las que pueden influir en su proceso de diferenciación osteogénica pudiendo ser empleadas para su prediferenciación in vitro de forma efectiva. Para comprobar esta hipótesis, en la presente Tesis Doctoral se han diseñado soportes de cultivo piezoeléctricos en 2 y 3 dimensiones basados en el uso del polímero piezoeléctrico polifluoruro de vinilideno (PVDF) combinados con partículas magnetostrictivas de ferrita de cobalto (CFO). Esta combinación permite la estimulación de los soportes de cultivo aplicando un campo magnético con un biorreactor. Este campo magnético genera la deformación del componente magnetostrictivo, que es transmitida a la matriz polimérica, deformándola y generando un campo eléctrico. Ésta última es transmitida a las células cultivadas en estos soportes para estudiar su efecto sobre la diferenciación osteogénica. En el primer capítulo se desarrollaron y caracterizaron membranas electroactivas de PVDF fabricadas por el método de separación de fases inducida por no-solventes. Se empleó etanol como no-solvente, dando lugar a membranas homogéneas altamente porosas. Estas cristalizan en fase g. Se optimizó un recubrimiento basado en la técnica capa a capa (LbL), empleando recombinámeros similares a la elastina (ELRs) que contenían secuencias de adhesión celular RGD. Se estudió la respuesta celular inicial de las MSCs y se comparó con los mismos soportes recubiertos únicamente con fibronectina adsorbida. La presencia de los ELRs es necesaria para promover la adhesión inicial de las MSCs en este tipo de soportes. En el segundo capítulo se combinó el PVDF con CFO, usando agua como no-solvente. Las membranas eran no simétricas, con una superficie lisa, que fue empleada para cultivo celular, con una mayoría en fase b, la más electroactiva. Se recubrieron y caracterizaron las membranas mediante LbL con colágeno tipo I y heparina. Se estudió el comportamiento de las MSCs sobre el LbL, resultando esencial para la proliferación celular en el caso de las membranas PVDF-CFO. En el capítulo tres se desarrollaron films de PVDF y PVDF-CFO cristalizados en presencia del líquido iónico [Bmim][Cl]. La presencia de éste indujo la nucleación del PVDF en fase b. Las MSCs eran capaces de adherirse y proliferar. Se realizaron ensayos de estimulación piezoeléctrica empleando un biorreactor magnético. Las MSCs respondieron a la estimulación incrementado la longitud de sus adhesiones focales, así como reduciendo la vimentina en el citoplasma. Finalmente, se diseñaron soportes de cultivo piezoeléctricos en 3D. Para ello se desarrollaron microesferas de PVDF y PVDF-CFO mediante la técnica de electropulverizado. Las microesferas se encapsularon en hidrogeles de gelatina junto con las MSCs. Se estimularon y tras 7 días, se observó un incremento en la expresión del factor de transcripción RUNX2 en las muestras estimuladas demostrando que la estimulación piezoeléctrica es capaz de activar en mayor medida la diferenciación de las MSCs. / [CA] L'augment de l'esperança de vida comporta l'aparició de problemes muscoloesquelètics afectant la qualitat de vida dels pacients. Les noves teràpies regeneratives òssies es centren en l'ús de les cèl·lules mare mesenquimals, MSCs, encarregades de la regeneració del teixit in vivo. La inducció d'un fenotip osteogènic prediferenciat in vitro, previ a la implantació de les MSCs, resulta en una millor capacitat de regeneració del teixit ossi. Habitualment s'han fet servir mitjans de diferenciació osteogènica que contenen dexametasona. Aquests mètodes són poc eficients, per la qual cosa l'ús de mètodes físics està adquirint rellevància. L'os és un teixit amb propietats piezoelèctriques a causa de les fibres de col·lagen que formen part de la seva matriu extracel·lular. Aquest estímul ha estat relacionat amb la capacitat de respondre a l'estrès mecànic i autoregenerar-se, on juguen un paper important les MSCs. Aquestes es troben en un entorn electroactiu, i són precisament aquests senyals físics els que poden influir en el seu procés de diferenciació osteogènica podent ser emprats per a la seva prediferenciació in vitro de manera efectiva. Per comprovar aquesta hipòtesi, a la present tesi doctoral s'han dissenyat suports de cultiu piezoelèctrics en 2 i 3 dimensions basats en l'ús del polímer piezoelèctric polifluorur de vinilidè (PVDF) combinats amb partícules magnetostrictives de ferrita de cobalt (CFO). Aquesta combinació permet l'estimulació dels suports de cultiu aplicant un camp magnètic amb un bioreactor. Aquest camp magnètic genera la deformació del component magnetostrictiu, que és transmesa a la matriu polimèrica, deformant-la i generant un camp elèctric. Aquesta última és transmesa a les cèl·lules cultivades en aquests suports per estudiar-ne l'efecte sobre la diferenciació osteogènica. En el primer capítol es van desenvolupar i caracteritzar membranes electroactives de PVDF fabricades pel mètode de separació de fases induïda per no solvents. Es va emprar etanol com a no-solvent, donant lloc a membranes homogènies altament poroses. Aquestes cristal·litzen en fase g. S'optimitzà un recobriment basat en la tècnica capa a capa (LbL), emprant recombinàmers similars a l'elastina (ELRs) que contenien seqüències d'adhesió cel·lular RGD. Es va estudiar la resposta cel·lular inicial de les MSCs i es va comparar amb els mateixos suports recoberts únicament amb fibronectina adsorbida. La presència dels ELR és necessària per promoure l'adhesió inicial de les MSCs en aquest tipus de suports. En el segon capítol es va combinar el PVDF amb CFO, usant aigua com a no-solvent. Les membranes eren no simètriques, amb una superfície llisa, que va ser emprada per a cultiu cel·lular, amb una majoria en fase b, la més electroactiva. Es van recobrir i caracteritzar les membranes mitjançant LbL amb col·lagen tipus I i heparina. Es va estudiar el comportament de les MSCs sobre el LbL, resultant essencial per a la proliferació cel·lular en el cas de les membranes PVDF-CFO. Al capítol tres es van desenvolupar films de PVDF i PVDF-CFO cristal·litzats en presència del líquid iònic [Bmim][Cl]. La seva presència va induir la nucleació del PVDF en fase b. Les MSCs eren capaces d'adherir-se i proliferar. Es van realitzar assajos d'estimulació piezoelèctrica emprant un bioreactor magnètic. Les MSCs van respondre a l'estimulació incrementant la longitud de les seves adhesions focals, així com reduint la vimentina al citoplasma. Finalment, es van dissenyar suports de cultiu piezoelèctrics en 3D. Per això es van desenvolupar microesferes de PVDF i PVDF-CFO mitjançant la tècnica d'electropolveritzat. Les microesferes es van encapsular en hidrogels de gelatina juntament amb les MSCs. Es van estimular i després de 7 dies, es va observar un increment en l'expressió del factor de transcripció RUNX2 a les mostres estimulades demostrant que l'estimulació piezoelèctrica és capaç d'activar més la diferenciació de les MSCs. / [EN] Life expectancy increase entails the presence of musculoskeletal disorders producing a substantial impact on patient's quality of life. New bone regenerative therapies are focused on the use of mesenchymal stem cells (MSCs), the main effectors of bone regeneration in vivo. Over the years, it has been demonstrated that the induction of a pre-differentiated phenotype in vitro, before MSCs implantation, results in a better capacity for bone tissue regeneration. For this purpose, biochemical approaches based on the use of osteogenic differentiation medium containing dexamethasone have traditionally been used. These methods are not efficient, which has favoured the use of physical methods as an alternative. Bone is a piezoelectric tissue due to the collagen fibres that conform its extracellular matrix. This stimulus has been related to its ability to respond to mechanical stress and self-regenerate, a process in which MSCs play a key role. MSCs are subjected to an electroactive environment. It is hypothesised that these physical signals may influence their osteogenic differentiation process and be used to effectively pre-differentiate them in vitro. To test this hypothesis, along this Doctoral Thesis, piezoelectric cell culture supports have been designed in 2 and 3 dimensions based on the use of the piezoelectric polymer poly(vinylidene) fluoride (PVDF) combined with magnetostrictive cobalt ferrite oxide (CFO) nanoparticles. This combination allows the stimulation of culture supports by applying a magnetic field with a bioreactor. This magnetic field induces the deformation of the magnetostrictive component, which is transmitted to the polymeric matrix, generating a deformation and producing an electric field, which is transmitted to the MSCs to study its effect on their osteogenic differentiation. In the first chapter, electroactive PVDF membranes manufactured by the non-solvent induced phase separation technique were developed and characterised. Ethanol was used as a non-solvent, which gave rise to highly porous homogeneous membranes crystallised in the g phase. A coating protocol based on the layer-by-layer (LbL) technique, using elastin-like recombinamers (ELRs) containing RGD cell adhesion sequences, was optimised. MSCs' initial cellular response was studied and compared with the membranes coated with adsorbed fibronectin. The presence of the ELRs was necessary to promote MSCs' initial adhesion in this type of support. In the second chapter, PVDF was combined with CFO, using water as a non-solvent. The membranes were not symmetrical, with a smooth surface used for cell culture, with a majority in phase b, the most electroactive. Membranes were coated and characterised by LbL with type I collagen and heparin. The behaviour of MSCs on LbL was studied, essential for cell proliferation in the case of PVDF-CFO membranes. In chapter three, PVDF and PVDF-CFO films crystallised in the presence of the ionic liquid [Bmim][Cl] were developed. The presence of ionic liquid induced PVDF nucleation in the b phase. MSCs were able to adhere and proliferate. Piezoelectric stimulation tests were performed using a magnetic bioreactor. MSCs responded to stimulation by increasing the length of their focal adhesions and reducing vimentin in the cytoplasm. Finally, 3D piezoelectric culture supports were designed. For this, PVDF and PVDF-CFO microspheres were developed using the electrospray technique. The microspheres were encapsulated in gelatin hydrogels together with the MSCs. They were stimulated, and after 7 days, an increase in the expression of the transcription factor RUNX2 was observed in the stimulated samples, demonstrating that piezoelectric stimulation is capable of activating the differentiation of MSCs to a greater extent. / La presente tesis doctoral no podría haberse realizado sin la financiación del Ministerio de Economía y Competitividad a través de la beca para formación de personal investigador BES-2017-080398 y a la Agencia Estatal de Investigación a través de los proyectos PID2019-106000RB-C21 / AEI / 10.13039/501100011033, PID2019-106099RB- C41 y –C43 / AEI / 10.13039/501100011033. / Guillot Ferriols, MT. (2022). Electroactive Environments for Mesenchymal Stem Cells Osteogenic Differentiation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191003 / Compendio

Topological insulators are materials with their electronic band structure in bulk resembling that of an ordinary insulator, but the surface states are metallic. These surface states are topologically protected, meaning that they are robust against impurities. The topological phenomena of three dimensional topological insulators can be expressed within topological field theories, predicting axion electrodynamics and the topological magnetoelectric effect. An experiment have been suggested to measure the topological phenomena. In this thesis, the underlying theory and details around the experiment are explained and more detailed derivations and expressions are provided.

Les matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques sont riches en promesses de nouvelles applications, comme par exemple des mémoires quatre états à densité accrue ou des mémoires magnétoélectriques à faible consommation d’énergie. Ces promesses restent cependant pour l’instant lettres mortes en raison du très faible nombre de matériaux présentant ces propriétés à température ambiante, et des forts courants de fuite qu’ils présentent en couches minces. Cette thèse porte sur un matériau prometteur en termes d’applications, car magnétoélectrique et ferrimagnétique à température ambiante, le ferrite de gallium de composition Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).Nous avons démontré la possibilité de réduire les courants de fuite et moduler à volonté le type de conduction n ou p dans les couches minces de cet oxyde transparent, semi-conducteur, et magnétique, par dopage par des ions Ni2+. Une optimisation de la croissance de GFO par pulvérisation cathodique a par ailleurs montré qu’il était possible de le déposer sous champ électrique, ce qui ouvre d’intéressantes perspectives pour l’optimisation de la polarisation électrique des couches minces. / The multiferroic and/or magnetoelectric materials are full of promises in terms of new applications, such as for example higher density four state memories or lower power consuming magnetoelectric memories. These promises are however actually put off because too few materials present these properties at room temperature and because their thin films present too high leakage currents. This thesis focusses on a room temperature magnetoelectric and ferrimagnetic material promising in terms of applications, the gallium ferrite Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).We have demonstrated the possibility to strongly reduce the leakage currents and perfectly tune from n to p the conduction type in transparent, semi-conducting, and magnetic thin films of GFO through Ni2+ doping. The optimization of the growth of GFO thin films by sputtering has moreover shown the possibility of deposition under an electric field, which opens ways to control of the electric polarization of the films.

The main challenge in the design of vibration energy harvesters is the optimization of energy outcome relative to the applied excitation to reach a higher efficiency in spite of the weakness of ambient energy sources. One promising principle of vibration converters is magnetoelectricity due to the outstanding properties of magnetostrictive and piezoelectric laminate composites, which provide interesting possibilities to harvest energy from low amplitude and low frequency vibration with relatively high energy outcome. For these devices, ensuring high deformations in the magnetostricive layers, improvement of the magnto-mechanical and the electro-mechanical couplings are highly required for the optimization of the energy outcome. This thesis primarily aims to develop a model based harvester design for magnetoelectric (ME) converters. Based on a comprehensive understanding of the complex energy flow in magnetoelectric transducers, several design parameters are investigated. For instance, magnetostriction in a Terfenol-D plate is investigated by means of atomic force microscopy under similar conditions as within magnetoelectric transducers. A novel measurement approach was successfully developed to detect the evolution of magnetic domains and measure deformations in a Terfenol-D plate in response to externally non-uniform applied magnetic fields. Furthermore, a finite element model is developed to predict the induced voltage in the ME transducer as a response to the magnet’s displacement, corrected based on atomic force microscopy measurements, and used for the design of the harvester. The presented three- dimensional model takes into consideration the nonlinear behaviour of the magnetostrictive and piezoelectric materials. Additionally, three novel converters having different magnetic circuits are designed and analysed analytically based on Lindstedt-Poincaré method. The effects of the structure parameters, such as the nonlinear magnetic forces, the magnetic field distribution and the resonance frequency are discussed, and the electric output performances of the three designed converters are evaluated. In order to improve both mechanical and electrical coupling between the piezoelectric and the magnetostrictive layers, a bonding technique at room temperature is proposed which uses conductive polymer nanocomposites. Two magnetoelectric transducers are fabricated based on this technique having 1 wt.% and 2 wt.% concentration of multiwalled carbon nanotubes in epoxy resin. Another magnetoelectric transducer is fabricated by a classical technique for comparison purposes. In order to validate the design, a series of demonstrators are designed and fabricated according to the simulation and optimization results. The proposed design is composed by a cantilever beam, a magnetic circuit with several magnet arrangements and a magnetoelectric transducer, which is formed by a piezoelectric PMNT plate bonded to two magnetostrictive Terfenol-D layers. In this design, external vibrations are converted to magnetic field changes acting on the magnetostrictive layers leading to deformations, which are transmitted directly to the piezoelectric layer. The converters are tested under harmonic excitations and real vibration profiles reproduced by an artificial vibration source. Different parameters were investigated experimentally including the magnetic forces between the transducer and the magnetic circuit and the used bonding technique. Tuning the resonance frequency of the ME converter is also addressed using a simple screw/nut system, which allows to control the relative position and therefore the magnetic forces between the magnetic circuit and the transducer. The magnetoelectric transducer bonded with 2 wt.% concentration of multiwalled carbon nanotubes shows better output performances than the two other ME transducers under similar excitations. A maximum power output of 2.42 mW is reached under 1 mm applied vibration at 40 Hz. This performance presents an improvement of minimum 20 % of the reached energy outcome by other magnetoelectric vibration converters using single ME transducer at comparable applied excitations. / Die größte Herausforderung bei der Konstruktion von Vibrations-Energiewandlern ist die Optimierung der gewonnenen Energie im Verhältnis zur angewandten Anregung, um trotz schwacher Umgebungsenergiequellen einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Ein vielversprechendes Prinzip von Vibrationswandlern ist die Magnetoelektrizität aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von magnetostriktiven und piezoelektrischen Verbundwerkstoffen, die interessante Möglichkeiten bieten, Energie aus niederfrequenten Schwingungen mit kleinen Amplituden zu gewinnen. Bei diesen Wandlern ist die Sicherstellung hoher Verformungen in den magnetostriktiven Schichten, die Verbesserung der magnetisch-mechanischen und der elektromechanischen Kopplungen für die Optimierung des Energieertrages sehr wichtig. Diese Arbeit zielt in erster Linie auf die Entwicklung eines modellbasierten Entwurfs für magnetoelektrische (ME) Wandler ab. Basierend auf einem umfassenden Verständnis des komplexen Energieflusses in magnetoelektrischen Wandlern werden mehrere Entwurfsparameter untersucht. So wird beispielsweise die Magnetostriktion in einer Terfenol-D-Platte mittels Rasterkraftmikroskopie unter ähnlichen Bedingungen untersucht wie in magnetoelektrischen Wandlern. Dabei wurde eine neuartige Messmethode erfolgreich entwickelt, um die Entwicklung von magnetischen Domänen zu erfassen und die Deformation in einer Terfenol-D-Platte als Reaktion auf extern ungleichmäßig angelegte Magnetfelder zu messen. Darüber hinaus wird ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, um die induzierte Spannung im ME-Wandler als Reaktion auf die Verschiebung des Magneten vorherzusagen, welches auf der Grundlage von Atomkraftmikroskopie Messungen korrigiert und für den Entwurf des Energiewandlers verwendet wird. Das vorgestellte dreidimensionale Modell berücksichtigt das nichtlineare Verhalten der magnetostriktiven und piezoelektrischen Materialien. Zusätzlich werden drei neuartige Wandler mit unterschiedlichen Magnetkreisen nach dem Lindstedt-Poincaré Verfahren konzipiert und analytisch analysiert. Die Auswirkungen der Strukturparameter, wie die nichtlinearen Magnetkräfte, die Magnetfeldverteilung und die Resonanzfrequenz, werden diskutiert und die elektrischen Ausgangsleistungen der drei ausgelegten Wandler ausgewertet. Um die mechanische und elektrische Kopplung zwischen der piezoelektrischen und der magnetostriktiven Schicht zu verbessern, wird eine bei Raumtemperatur prozessierbare Verbindungstechnik vorgeschlagen, bei der leitfähige Nanokomposite verwendet werden. Zwei magnetoelektrische Wandler werden basierend auf dieser Technik mit einer Konzentration von 1 wt.% und 2 wt.% an mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren in Epoxidharz hergestellt. Ein weiterer magnetoelektrischer Wandler wurde zu Vergleichszwecken mit einer klassischen Technik hergestellt. Für die Validierung des Entwurfes wird eine Reihe von Demonstratoren entsprechend den Simulations- und Optimierungsergebnissen konstruiert und gefertigt. Der vorgeschlagene Entwurf besteht aus einem Trägerbalken, einem Magnetkreis mit mehreren Magnetanordnungen und einem magnetoelektrischen Wandler, der aus einer piezoelektrischen PMNT-Platte besteht, die mit zwei magnetostriktiven Terfenol-D-Schichten verbunden ist. Bei dieser Konstruktion werden externe Schwingungen in Magnetfeldänderungen umgewandelt, die auf die magnetostriktiven Schichten wirken und zu Verformungen führen, die direkt auf die piezoelektrische Schicht übertragen werden. Die Wandler werden unter harmonischen Anregungen und mit realen Schwingungsprofilen getestet, die von einer künstlichen Schwingungsquelle reproduziert werden. Verschiedene Parameter wurden experimentell untersucht, darunter die magnetischen Kräfte zwischen dem Wandler und dem Magnetkreis sowie die verwendete Verbindungstechnik. Die Abstimmung der Resonanzfrequenz des ME-Wandlers erfolgt ebenfalls über ein einfaches Schrauben-Mutter-System, das es ermöglicht, die relative Position und damit die magnetischen Kräfte zwischen Magnetkreis und Wandler zu steuern. Der magnetoelektrische Wandler, der mit einer Konzentration von 2 wt.% mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbunden ist, zeigt bessere Ausgangsleistungen als die beiden anderen ME-Wandler bei ähnlichen Anregungen. Eine maximale Ausgangsleistung von 2,42 mW wird bei 1 mm angelegter Vibration bei 40 Hz erreicht. Diese Leistung stellt eine Verbesserung von mindestens 20 % im Vergleich zu anderen magnetoelektrischen Schwingungsumrichtern dar, welche mit einem einzigen ME-Wandler bei vergleichbaren Anregungen getestet werden.

Supplying wireless sensors from ambient energy is nowadays highly demanded for a higher flexibility of use and low system maintenance costs. Vibration sources are thereby especially attractive due to their availability and the relatively high energy density they can provide. The aim of this work is to realize a hybrid energy converter for vibration sources having low amplitude and low frequency. The idea is to combine two diverse harvesters to realize a higher energy density and at the same time to improve the converter reliability. We focus on the design, modeling, and test of the hybrid vibration converter. For an appropriate converter design, the vibration profiles of several ambient vibration sources are characterized. The results show that the typical frequency and acceleration ranges are between 5 Hz to 60 Hz and 0.1 g to 1.5 g respectively. The proposed converter is based on the magnetoelectric (ME) and electromagnetic (EM) principles. These two principles can be easily combined within almost the same volume, because they generate energy form the same varying magnetic field coupled to the mechanical vibration of the source. Thereby, the energy density is improved as the ME converter is incorporated within the relatively large coil housing of the electromagnetic converter. The proposed converter is based on the use of a magnetic spring instead of the typically used mechanical springs, which applies the repulsive force to the seismic mass of the converter. The applied vibration is transmitted to the converter based on the magnetic spring principle instead of the conventional mechanical springs. Due to the nonlinearity of the magnetic spring, the converter is able to operate for a frequency bandwidth instead of resonant frequency which is the case while using a mechanical spring. Hence, this leads to realize a high converter efficiency even under random vibrations characterized by frequency bandwidth. As well, using magnetic spring principle enables to adjust the resonant frequency of the converter relative to the applied vibration source easily by just adjusting the moving magnet size. For the converter design, a parametric study is conducted using finite element analysis. Two main criteria are thereby taken into account, which are the compactness and the efficiency of the converter. Parameters affecting these two criteria are classified in mechanical, electromagnetic and magnetoelectric parameters. Results show that the combination of the EM and ME principles leads to an improvement of the energy output compared to a single EM or ME converter. The novel hybrid converter is realized and tested under harmonic and real vibration profiles. It comprises two main parts: A fixed part, where the coils and the ME transducer are fixed in order to ensure a good reliability of the converter by avoiding wire movements. A moving part, where the moving magnet of the magnetic spring and the magnetic circuit are placed. The presented converter is reliable and compact, which is able to harvest energy with a maximum output power density of 0.11 mW/cm³ within a frequency bandwidth of 12 Hz for a resonance frequency of 24 Hz under an applied harmonic vibration with an amplitude of 1 mm. / Die Versorgung von drahtlosen Sensoren aus der Umgebungsenergie ermöglicht heutzutage eine hohe Einsatzflexibilität und die Senkung des Systemwartungsaufwands. Schwingungsquellen sind aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der damit erreichbaren Energiedichte besonders attraktiv. Ziel dieser Arbeit ist es, einen hybriden Energiewandler für Vibrationsquellen mit geringer Amplitude und niedriger Frequenz zu realisieren. Der Ansatz dabei ist, zwei verschiedene Wandler zu kombinieren, um eine höhere Energiedichte zu erreichen und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Der Entwurf konzentriert sich auf die Modellierung und den Test des hybriden Vibrationswandlers. Für einen geeigneten Wandlerentwurf werden die Schwingungsprofileigenschaften mehrerer Umgebungsschwingungsquellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die typische Frequenz zwischen 5 Hz und 60 Hz und der Beschleunigungsbereich zwischen 0,1 g und 1,5 g liegen. Der vorgeschlagene Wandler kombiniert das magnetoelektrischen (ME) Prinzip mit dem elektromagnetischen (EM) Prinzip. Diese beiden Prinzipien können innerhalb des fast gleichen Volumens leicht integriert werden, da sie Energie aus der Variation des gleichen Magnetfeldes, das mit der mechanischen Schwingung gekoppelt ist, erzeugen können. Dadurch wird die Energiedichte verbessert, da der ME-Wandler in das relativ große Spulengehäuse des elektromagnetischen Wandlers eingesetzt werden kann. Darüber hinaus basiert der vorgeschlagene Wandler auf der Verwendung von Magnetfedern, um die Repulsivkraft auf die seismische Masse zu realisieren. Aufgrund der Nichtlinearität der Magnetfeder, kann der Wandler in einem breiteren Frequenzbereich betrieben werden, anstatt nur bei der Resonanzfrequenz, wie es bei der Verwendung einer mechanischen Feder der Fall ist. Dies führt dazu, dass der Wandler auch bei zufälligen breitbandigen Schwingungsquellen effizient betrieben werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Magnetfederprinzips eine einfache Einstellung der Resonanzfrequenz des Wandlers in Bezug auf die Schwingungsquelle, durch Einstellen der Größe des beweglichen Magneten. Für den Wandlerentwurf wird eine Parameterstudie mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Zwei Hauptkriterien werden dabei berücksichtigt: Die Kompaktheit und die Energieeffizienz des Wandlers. Parameter die diese beiden Kriterien beeinflussen, können in mechanische, elektromagnetische und magnetoelektrische unterteilt werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Kombination der EM- und ME-Prinzipien zu einer Verbesserung der Energieausbeute im Vergleich zu einem einzelnen EM- oder ME-Wandler geführt hat. Der neuartige Hybrid-Wandler wurde realisiert und unter harmonischen und realen Schwingungsprofilen getestet. Der Wandler besteht aus zwei Hauptteilen: Ein festes Teil, an dem die Spulen und der ME-Wandler befestigt sind, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten indem auf einen beweglichen Draht verzichtet wird, und ein bewegliches Teil, das sich aus einem beweglichen Magneten zusammensetzt. Der vorgestellte Wandler ist zuverlässig, kompakt und in der Lage, Energie mit einer maximalen Ausgangsleistungsdichte von 0,11 mW/cm 3 und einer Bandbreite von 12 Hz bei einer Resonanzfrequenz von 24 Hz unter einer angelegten harmonischen Schwingung mit einer Amplitude von 1 mm zu gewinnen.

The fundamental properties of hexagonal multiferric HoMnO3 films have been thoroughly investigated. The films are grown by pulsed laser deposition on Y:ZrO2(111) substrates. High quality epitaxial HoMnO3 films of 25 { 1000 nm thickness were successfully prepared. The film properties are compared to those of single-crystals. The magnetization measurements revealed that the films show a deviating magnetic behavior from the single-crystals in several ways. For instance, the films have a weakened antiferromagnetic Ho3+ order confirmed from magnetic susceptibility. The difierences are likely to be related to the modified (mostly larger) lattice parameters of films. An approximate phase diagram in comparison with the single-crystal's one is constructed. For multiferroicity investigations, Second Harmonic Generation (SHG; in collaboration with the group of M. Fiebig) has been employed. By SHG, the ferroelectric polar order of the films is obviously confirmed. The ferroelectric switching at room temperature could be clearly demonstrated, whereas leakage of films requires generally a more sophisticated approach. / Die fundamentalen Eigenschaften von hexagonalen multiferroischen HoMnO3 Schichten werden eingehend untersucht. Die dünnen Schichten wurden mittels gepulster Laserdeposition auf Y:ZrO2(111)-Substraten gewachsen. Hochwertige epitaktische HoMnO3-Dünnschichten von 25 { 1000 nm Dicke wurden erfolgreich hergestellt. Die Dünnschichteigenschaften werden mit denen von Einkristallen verglichen. Die Magnitisierungsmessungen ergeben, dass die dünnen Schichten ein von den Einkristallen in verschiedener Weise abweichendes magnetischen Verhalten zeigen. Zum Beispiel haben die dünnen Schichten eine abgeschwächte antiferromagntetische Ho3+ Ordnung, die durch die magnetische Suszeptibilität bestätigt wird. Die Unterschiede sind wahrscheinlich auf die veränderten (meistens grösseren) Gitterparameter der dünnen Schichten zurückzuführen. Ein Phasendiagramm wird zum Vergleich mit Einkristallen konstruiert. Durch Second Harmonic Generation (SHG; in Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Fiebig) wird die ferroelektrische Ordnung der dünnen Schichten eindeutig bestätigt. Das ferroelektrische Umschalten bei Raumtemperatur kann eindeutig nachgewiesen werden, wobei durch den Leckstrom der dünnen Schichten allgemein eine detailliertere Vorgehensweise benötigt wird.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Preparation and characterization of multiferroic materials in which ferroelectricity and ferromagnetism coexist would be a milestone for functionalized materials and devices. First, electric properties of polyvinylidene (PVDF) films fabricated using the Langmuir-Schaefer method have been studied. Films of different thickness were deposited on silicon substrates and analyzed using several techniques. X-ray diffraction (XRD) data showed that PVDF films crystallize at an annealing temperature above 130 °C. Polarization versus electric field (PE) ferroelectric measurements were done for samples prepared with electrodes. PE measurements show that the coercivity of the films increases as the maximum applied electric field increases. The coercivity dependence on the frequency of the applied electric field can be fitted as . The results also show that the coercivity decreases with increasing the thickness of PVDF film due to the pinning effect. Next, we have demonstrated that those PVDF properties can be controlled by applying an external magnetic field. Samples were created in a layered heterostructure, starting with a Fe thin film, PVDF above that, and followed by another thin film of Fe. Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy was used to study the interface between PVDF polymer films and ferromagnetic iron thin films. Conventional EXAFS was applied to identify the structure of a Fe film sandwiched between two PVDF layers. An electric signal was then applied to the polymer to study the effects polarizing the polymer has on the Fe atoms at the interface. This shows that the Fe atoms diffuse into the PVDF layer at the interface between the two layers. Polarizing the film causes further diffusion of Fe atoms into the polymer. We also found that as the applied magnetic field is changed, the switching of electric polarization for the PVDF displayed a dependence on the external magnetic field. We also noticed that both the coercivity and polarization for the PVDF polymer display hysteretic features as the applied magnetic field is changed. We also found that the thickness of both the iron layers and the PVDF layer has an effect on the magnetoelectric coupling in our samples. The same strain applied to a thicker PVDF layer becomes tougher to flip the polarization compared to a thinner PVDF layer. As the iron film thickness increases, the strain also increases, and the polarization of the PVDF polymer is more easily flipped. We also found that the magnetoelectric sensitivity increases as both the PVDF and iron layers increase in thickness. We have shown that it is possible to control the ferroelectric properties of a PVDF film by tuning the magnetic field in a heterostructure. Our experiments show a coupling between the electric polarization and applied magnetic field in multiferroic heterostructures much larger than any previously reported values. Previous reports have used inorganic materials for the ferroelectric layer. Organic polymers have an electric dipole originating at the molecular level due to atoms with different electronegativity that are free to rotate. To flip the polarization, the chains must rotate and the position of the atoms must change. This increases the force felt locally by those chains. Using this polymer, we are able to increase the magnetoelectric coupling.

Die Beeinflussung der Magnetisierungsrichtung magnetischer Dünnschichten mittels einer elektrischen Spannung, anstatt eines elektrischen Stromes, ist vielversprechend für die energieeffizientere Nutzung magnetischer Bauelemente in der Datenspeicherung und in anderen Technologien. Ein neuartiger Ansatz für solche magnetoelektrischen Materialien ist die Kontrolle des Magnetismus über elektrochemische Reaktionen. Die elektrische Spannung wird dabei über einen flüssigen oder festen Elektrolyten an die magnetische Schicht angelegt, und elektrochemische Grenzflächenreaktionen führen zur reversiblen Kontrolle magnetischer Eigenschaften. Bisher wurden dazu hauptsächlich Schichten mit senkrechter magnetischer Anisotropie untersucht und zur Charakterisierung nur die Magnetisierungskurven bei angelegter elektrischer Spannung aufgenommen. Für ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist eine zusätzliche Untersuchung der magnetischen Mikrostruktur notwendig. Im Rahmen der Arbeit wurde eine elektrochemische Zelle für flüssige Elektrolyten entwickelt, die mit magneto-optischer Kerr-Mikroskopie kompatibel ist. Mit dieser Messzelle wurden in situ Untersuchungen des Einflusses elektrochemischer Reaktionen auf die magnetischen Eigenschaften von FeOx/Fe-Dünnschichtsystemen durchgeführt. Die mittels Sputtern hergestellten FeOx/Fe Schichten zeigen eine uniaxiale magnetische Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung in der Ebene. Winkelaufgelöste Kerr-Mikroskopiemesssungen zeigten einen magnetisch blockierten Zustand entlang der harten Achse, der eine erhöhte Koerzivität und Remanenz aufweist. Dieser konnte auf die Wechselwirkung zwischen geladenen Néel-Domänenwand-Ausläufern zurückgeführt werden. Anhysteretische Messungen entlang der magnetisch harten Achse ermöglichten die Quantifizierung der uniaxialen Anisotropiekonstanten KU. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die FeOx/Fe Schichten in einem 1 mol/l LiOH Elektrolyten wurde eine reversible elektrochemische Umwandlung von FeOx zu metallischen Fe mittels in-situ Ramanspektroskopie nachgewiesen. Diese Umwandlung führt gleichzeitig zu einer Aufhebung des blockierten magnetischen Zustands. Dadurch konnte ein reversibles An- und Ausschalten der Koerzivität und Remanenz erreicht werden. Über in situ Kerrmikroskopiemessungen konnte nachgewiesen werden, dass gleichzeitig mit der Abnahme der Koerzivität bei der elektrochemischen Umwandlung auch eine Erhöhung von KU und eine Vergrößerung der magnetischen Domänen auftritt. Mit diesen Analysen konnte die Verringerung der Wechselwirkungen zwischen den Néel-Domänenwand-Ausläufern als Ursache für die elektrische Kontrolle der Koerzivität aufgedeckt werden. Weiterhin spielt eine verringerte Pinningkraft der magnetischen Pinningzentren durch die FeOx – Fe-Umwandlung eine Rolle. Die elektrochemische Kontrolle der Koerzivität erlaubte es, bei einem geringen magnetischen Feld ein 180°-Schalten der Magnetisierung über eine elektrische Spannung zu erreichen. Die dazu benötigte Schaltenergie wurde zu 121 mJ pro 38.5 mm2 in 60 s abgeschätzt, was sehr vielversprechend für eine Steigerung der Energieeffizienz magnetischer Bauelemente ist. Die elektrochemische Umwandlung von FeOx zu Fe in 1 mol/l LiOH wurde auf das Schichtsystem FeOx/Fe/IrMn mit unidirektionaler Anisotropie in der Schichtebene angewandt. In diesem System kommt es durch die Kopplung von Ferromagnet/Antiferromagnet zu einer unidirektionalen Verschiebung der Hysterese (Exchange Bias). Hier konnte erstmals eine nichtflüchtige, elektrische Kontrolle des Exchange Bias erreicht werden. Mit XPS und dem Vergleich mit einem Model für den Exchange Bias wurde die elecktrochemisch-induzierte Schichtdickenvariation des Ferro-magneten als Ursache aufgedeckt. Die elektrochemische Kontrolle des Exchange Bias ermöglichte eine laterale Strukturierung der damit assoziierten magnetischen Domänen. Damit wurde hier eine neue Struk-turierungsmethode für unidirektionale Systeme vorgestellt. Gegenüber konventionellen Strukturierungsmethoden (beispielweise über Ionenbombardierung) kann so eine elektrochemische Strukturierung vorteilhaft sein, da sie bei Umgebungsbedingungen und ohne Vakuumtechnik funktioniert. Eine unidirektionale Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Schichtebene wird im System GdOx/Pd/Co/Pd/NiO erzielt. In diesem System wird ausgenutzt, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung über elektrochemische-Reaktionen zur H-Anlagerung in den Co- und Pd-Schichten führt, was eine Änderung der senkrechten magnetischen Anisotrope zur Folge hat. Im Schichtsystem mit Co als ferromagnetischer und NiO als antiferromagnetischer Schicht konnte erstmals mittels einer elektrischen Spannung eine senkrecht zur Schichtebene ausgeprägte Exchange-Bias-Hysterese reversibel an- und ausgeschaltet werden. Für mehrere Zyklen werden Effekte beobachtet, die Trainings-Effekten an konventionellen Exchange-Bias-Systemen ähneln. Das Anlegen einer elektrischen Spannung an GdOx/Pd/GdCo/Pd/NiO mit GdCo als ferrimagnetischer Lage führt zu einer Umkehrung der Exchange-Bias-Hysterese und deren vorzeichenbehafteter Verschiebung, welches auf die Umkehrung der magnetischen Ausrichtung der Untergitter zurückgeführt wird.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of magnetic thin films 5 3 State of the Art 11 3.1 Voltage control of magnetism 11 3.2 Electrochemical control of magnetism 14 4 Methods 21 4.1 Film fabrication 21 4.2 Ex-situ and in-situ analytical characterization 22 4.3 Electrochemical characterization 24 4.4 Magneto-optical Kerr Magnetometry and Microscopy 25 5 Combining Kerr microscopy and electrochemistry – the in situ cell 29 6 In-plane uniaxial anisotropy and blocked domain state in FeOx/Fe thin films 33 6.1 Microstructure and composition 33 6.2 Magnetically blocked state in pristine FeOx/Fe thin film 34 7 Voltage control of FeOx/Fe thin films with in-plane uniaxial anisotropy 41 7.1 Voltage control of hysteresis by electrochemical reduction of FeOx 41 7.2 Inverse scaling of coercivity and anisotropy revealed by anhysteresis 44 7.3 Voltage control of magnetic domains 46 7.4 Magnetic de-blocking due to change of Néel wall interactions 48 7.5 Switching of magnetization by a low voltage and energy efficiency 51 7.6 Energy efficiency and application potential for data storage and actuation 53 7.7 Interim conclusion 54 8 Voltage control of FeOx/Fe/IrMn thin films with in-plane unidirectional anisotropy 57 8.1 Characterization of the pristine state exchange biased thin films 57 8.2 Electrochemical modification of EB – voltage dependency 58 8.3 Electrochemical modification of EB – time dependency 61 8.4 Model for voltage control of EB by electrochemistry 64 8.5 Non-volatile and reversible voltage control of exchange bias 65 8.6 Nonvolatile change of oxidation state and layer thickness 67 8.7 Electrochemical patterning of EB and magnetic domain state 68 8.8 Interim conclusion 70 9 Voltage control of magnetic thin films with perpendicular unidirectional anisotropy 73 9.1 Co thin films with perpendicular unidirectional anisotropy 73 9.2 Voltage control of EB in Co/Pd/NiO thin films 73 9.3 Interim conclusion 81 9.4 Voltage control of ferrimagnetic GdCo/Pd/NiO thin film 81 10 Evaluation with regard to perspective applications 83 11 Summary 87 12 Appendix 93 References 107 List of Figures 121 Publication List 123 Acknowledgments 125 Symbols 127 Statement of Authorship 129