Ce travail de thèse est une contribution à l'étude de la dynamique de spin des porteurs dans des structures semiconductrices III-V en vue d’applications possibles dans le domaine émergent de la spintronique dans les semiconducteurs. Deux approches différentes on été envisagées afin de pouvoir obtenir une polarisation en spin des porteurs longue et robuste : i) le confinement spatial dans des nano-structures 0D (boîtes quantiques), ii) l’ingénierie des centres paramagnétiques dans des couches massives.Pour la première approche, nous avons étudié les propriétés de polarisation de spin d’excitons confinés dans des boîtes quantiques de GaN/AlN insérées dans des nano-fils. Nous avons d’abord mis en évidence un taux important de polarisation de la photoluminescence (15 %) à basse température sous excitation quasi-résonante et nous avons démontré que cette polarisation est temporellement constante pendant la durée de vie des excitons. Grâce à des mesures en température, nous avons aussi démontré que cette polarisation n’est aucunement affectée jusqu’à 300 K. Nous avons aussi développé un modèle détaillé basé sur la matrice densité pour décrire le dégré de polarisation de la photoluminescence et sa dépendance angulaire.Pour la deuxième approche, nous avons réalisé un dispositif prototype de filtrage de spin basé sur l’implantation de centres paramagnétiques dans des couches massives de InGaAs. Le principe repose sur la création de défauts interstitiels paramagnétiques comme précédemment démontré dans notre groupe pour les nitrures dilués tels que GaAsN. Le but de ce travail a été le développement d’un procédé de création de ces défauts qui puisse surmonter les inconvénients liés à l’insertion de l’azote dans les semiconducteurs de type GaAs : a) la dépendance de l’efficacité du filtrage de spin avec de l’énergie de photoluminescence, b) l’impossibilité de créer des zones actives avec des motifs spécifiques.Dans ce travail, nous démontrons que des régions actives de filtre à spin peuvent être créées par implantation ionique de défauts paramagnétiques avec une densité et des motifs spatiaux prédéfinis. Grâce à des études par photoluminescence, nous avons d’une part mis en évidence des taux de recombinaison dépendant en spin pouvant aller jusqu’à 240 % dans les zones implantées. D’autre part, nous avons déterminé la dose d’implantation la plus favorable grâce à une étude systématique sur différents échantillons implantés avec des densités ioniques étendues sur quatre ordres de grandeurs. Nous avons également observé que l’application d’un champ magnétique externe produit une augmentation significative du taux de recombinaison dépendant en spin due à la polarisation en spin des noyaux implantés / This thesis work is a contribution to the investigation by photoluminescence spectroscopy of the spin properties of III-V semiconductors with possible applications to the emerging semiconductor spintronics field. Two approaches have been explored in this work to achieve a long and robust spin polarization: i) Spatial confinement of the carriers in 0D nanostructured systems (quantum dots). ii) Defect engineering of paramagnetic centres in a bulk systems. Concerning the first approach, we have investigated the polarization properties of excitons in nanowire-embedded GaN/AlN quantum dots. We first evidence a low temperature sizeable linear polarization degree of the photoluminescence (~15 %) under quasi-resonant excitation with no temporal decay during the exciton lifetime. Moreover, we demonstrate that this stable exciton spin polarization is unaffected by the temperature up to 300 K. A detailed theoretical model based on the density matrix approach has also been developed to account for the observed polarization degree and its angular dependence.Regarding the second approach, we have demonstrated a proof-of-concept of conduction band spin-filtering device based on the implantation of paramagnetic centres in InGaAs epilayers. The principle relies on the creation of Ga interstitial defects as previously demonstrated in our group in dilute nitride GaAsN compounds. The driving force behind this work has been to overcome the limitations inherent to the introduction of N in the compounds: a) The dependence of the photoluminescence energy on the spin-filtering efficiency. b) The lack of spatial patterning of the active regions.In this work we show how the spin-filtering defects can be created by ion implantation creating a chosen density and spatial distribution of gallium paramagnetic centers in N-free epilayers. We demonstrate by photoluminescence spectroscopy that spin-dependent recombination (SDR) ratios as high as 240 % can be achieved in the implanted areas. The optimum implantation conditions for the most efficient SDR are also determined by the systematic analysis of different ion doses spanning four orders of magnitude. We finally show how the application of a weak external magnetic field leads to a sizable enhancement of the SDR ratio from the spin polarization of the implanted nuclei

Différentes architectures macromoléculaires sensibles à la température, des copolymères linéaires greffés et des hydrogels, ont été développées et leur structure, leurs propriétés rhéologiques ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été étudiées. Dans le cas des hydrogels, le phénomène de séparation de phase des segments thermosensibles conduit, en conditions isochores, à une augmentation de la rigidité et de l'élongation à la rupture ainsi qu'à de remarquables propriétés de fatigue. Ce renforcement est de plus totalement réversible en pilotant le processus d'association/dissociation des interactions avec la température. Nous montrons que la topologie des réseaux joue un rôle important sur les performances mécaniques des hydrogels et plus spécialement sur le mode de propagation de fissure au sein de la structure. A partir d'études structurales par diffusion de neutrons complétées par des expériences sous traction, différentes nanostructures sont proposées en fonction de la topologie. Enfin, ce concept de renforcement stimulable des propriétés mécaniques des hydrogels, induit par un mécanisme de micro-séparation de phase, a été élargi à d'autres réseaux polymères combinant des propriétés thermodynamiques de LCST et UCST. / Thermo-responsive linear graft copolymers and hydrogels with different topologies have been designed and their nanostructure, their rheological properties as well as their tunable mechanical properties have been investigated. In the case of hydrogels, the self-assembly of the thermo-responsive sequences, which serve as secondary interactions, induces in isochoric conditions a strong enhancement of both stiffness and elongation at break, including also remarkable fatigue properties. Specifically, this reinforcement is totally reversible by switching on/off the associations. It is clearly shown that the topology of the network displays a crucial influence on the mechanical performance of hydrogels, especially the resistance to fracture. After a careful investigation of the structure by 2-D neutron scattering and tensile experiments, different nanostructures are proposed according to the topology. Finally, this concept of thermo-toughening of hydrogels through a controlled microphase separation has been extended to other polymeric networks combining LCST and UCST type polymers.

With the aim to gain a deeper understanding of the role of the angle of incidence in physical vapor deposition, experimental, and computer-based studies were conducted. Electron beam evaporation and ion beam sputtering were used as deposition methods. The materials germanium, silicon, and molybdenum were deposited at different incidence angle, different temperatures and varied residual gas atmospheres. Established models could not be used to adequately explain the obtained relations between morphological parameters, as the tilt angle, with the incidence angle. To investigate the interplay of self-shadowing and competitive growth, an on-lattice simulation was developed. Care was taken to avoid any artificial anisotropy. Comparison with an, additionally developed, off-lattice simulation was used to verify this. Based on the made observations, an analytical model was deduced that combines the material properties and the deposition conditions into a single parameter. The predictions of this model were verified for the experimental observations, the results of the computer simulations, and on literature data. In the last part of the thesis, methods are shown that facilitate to modify the properties of the obliquely deposited thin films to fit requirements of various applications. This includes in situ doping of silicon nanostructures, creation of core-shell structures, as well as biochemical surface functionalization of silver nanostructures. On the example of the latter, various bio-sensing applications are presented.:1 MOTIVATION 7 2 BASIC CONCEPTS 9 2.1 Physical vapor deposition (PVD) 9 2.2 Deposition at oblique angles 14 2.3 Controlling the thin film morphology 16 3 EXPERIMENTAL METHODS 19 3.1 Sample preparation 19 3.2 Characterization techniques 32 4 EXPERIMENTAL RESULTS 37 4.1 Columnar structure and evolutionary selection 37 4.2 Tilt angles and density 42 4.3 Fan angles 45 4.4 Relevance of beam divergence 47 4.5 Summary 50 5 SIMULATION 53 5.1 Introduction 53 5.2 Off-lattice approach 54 5.3 On-lattice approach 59 5.4 Further applications of the on-lattice simulation 64 5.5 Other aspects 72 5.6 Summary 76 6 OBLIQUE ANGLE DEPOSITION MODEL 77 6.1 Semi-Empirical models 77 6.2 Tanto’s fan model 78 6.3 Development of the Competition Model 80 6.4 Verification of the model 84 6.5 Summary 89 7 FILM OPTIMIZATION FOR APPLICATIONS 91 7.1 Boron doped Si nanostructures 91 7.2 Surface functionalization for biosensors 95 7.3 Core-shell structures by pulsed electrodeposition 101 7.4 Summary 105 8 SUMMARY 107 9 BIBLIOGRAPHY 109 10 LIST OF ABBREVIATIONS 121 11 ACKNOWLEDGEMENTS 123 APPENDIX 125 PUBLICATION LIST 131 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 133 / Mit dem Ziel ein besseres Verständnis des Einflusses des Einfallswinkels in der physikalischen Gasphasenabscheidung zu erreichen, wurden experimentell realisierte und am Computer simulierte Dünnschichten untersucht. Als Abscheidetechniken kamen sowohl Elektronenstrahl-Verdampfen als auch Ionenstrahl-Zerstäubung zum Einsatz. Es wurden die Materialien Germanium, Silicium und Molybdän verwendet, die bei verschiedenen Einfallswinkeln, verschiedenen Substrattemperaturen und variiertem Restgas abgeschieden wurden. Die beobachteten Zusammenhänge, von bspw. kolumnarer Verkippung und Einfallswinkel, konnten nicht mit den etablierten Modellen in Einklang gebracht werden. Um das genaue Zusammenspiel von Abschattung und Konkurrenz-Wachstum zu verstehen, wurde eine „on-lattice“ Computersimulation entwickelt, mit dem besonderen Augenmerk auf die Vermeidung von gitterbasierten Anisotropien. Dies wurde durch Vergleich mit einer, ebenfalls entwickelten, „off-lattice“ Simulation sichergestellt. Ausgehend von den beobachteten Effekten konnte ein analytisches Modell entwickelt werden, welches die Materialeigenschaften und Abscheidebedingungen in einen einzigen Parameter vereint. Die Vorhersagen des Modells wurden an den hergestellten Schichten, den Computersimulationen und an Literaturdaten verifiziert. Abschließend werden Methoden aufgezeigt, die schräg abgeschiedenen nanostrukturierten Schichten verschiedenen Anwendungen anzupassen. Dies umfasst die in situ Dotierung von Siliciumnanostrukturen, die Erzeugung von Kern-Schale-Strukturen, sowie die biochemische Oberflächenfunktionalisierung von Silbernanostrukturen. Am Beispiel der letztgenannten werden verschiedene Anwendungen in der Biosensorik detaillierter vorgestellt.:1 MOTIVATION 7 2 BASIC CONCEPTS 9 2.1 Physical vapor deposition (PVD) 9 2.2 Deposition at oblique angles 14 2.3 Controlling the thin film morphology 16 3 EXPERIMENTAL METHODS 19 3.1 Sample preparation 19 3.2 Characterization techniques 32 4 EXPERIMENTAL RESULTS 37 4.1 Columnar structure and evolutionary selection 37 4.2 Tilt angles and density 42 4.3 Fan angles 45 4.4 Relevance of beam divergence 47 4.5 Summary 50 5 SIMULATION 53 5.1 Introduction 53 5.2 Off-lattice approach 54 5.3 On-lattice approach 59 5.4 Further applications of the on-lattice simulation 64 5.5 Other aspects 72 5.6 Summary 76 6 OBLIQUE ANGLE DEPOSITION MODEL 77 6.1 Semi-Empirical models 77 6.2 Tanto’s fan model 78 6.3 Development of the Competition Model 80 6.4 Verification of the model 84 6.5 Summary 89 7 FILM OPTIMIZATION FOR APPLICATIONS 91 7.1 Boron doped Si nanostructures 91 7.2 Surface functionalization for biosensors 95 7.3 Core-shell structures by pulsed electrodeposition 101 7.4 Summary 105 8 SUMMARY 107 9 BIBLIOGRAPHY 109 10 LIST OF ABBREVIATIONS 121 11 ACKNOWLEDGEMENTS 123 APPENDIX 125 PUBLICATION LIST 131 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 133

La matière grasse laitière anhydre (MGLA) est composée à plus de 98 % de triglycérides. Leur diversité, liée à la nature des acides gras estérifiés, induit un comportement complexe de la MGLA lors de sa cristallisation. Par ailleurs, d’autres composés, dits mineurs, présents de manière endogène ou formés lors de procédés de transformation peuvent moduler le processus de cristallisation. Néanmoins, leurs modes d’action sont encore mal connus, rendant la maitrise du processus de cristallisation délicat. La mise en oeuvre de méthodes de caractérisation à différentes échelles (RMN, diffraction des rayons X, microscopie optique, analyse thermique différentielle, rhéologie) et à différentes températures permet de discriminer les mécanismes d’action des composés mineurs sur la cristallisation de la MGLA en phase continue ou dispersée. Ainsi, les composés mineurs modifient la cinétique de cristallisation de la MGLA, en agissant sur ses deux étapes, la nucléation et la croissance. En accélérant ou en ralentissant la vitesse de cristallisation, ils modifient la nature et/ou la structure du réseau cristallin et, éventuellement, les propriétés macroscopiques de la matière grasse. Les mécanismes d’action des composés mineurs sur la cristallisation de la MGLA dépendent de leur nature chimique (longueur de la chaine carbonée, degré d’insaturation, estérification) et de leur concentration. Lorsque la matière grasse est émulsionnée, son confinement et la création d’interfaces complexifient le processus de cristallisation : les composés mineurs modulent la cristallisation via l’interface ou la phase grasse selon leur affinité préférentielle pour l’une ou l’autre des deux phases de l’émulsion et induisent des propriétés thermiques et structurales spécifiques. Ce travail permet, donc, de mieux comprendre les facteurs qui modulent la cristallisation de la matière grasse et ainsi de mieux maitriser l’un des processus déterminants dans l’élaboration de la structure et de la fonctionnalité des produits laitiers. / Anhydrous Milk Fat (AMF) comprises more than 98% triglycerides. The diversity of the esterified fatty acids induces a complex behavior of AMF during crystallization. In addition, other minor components, either endogenously present or added upon processing modulate AMF crystallization. Nevertheless, the mechanisms underlying their mode of action are still poorly understood, making the mastery of fat crystallization difficult. Several characterization methods (NMR, X-ray diffraction, optical microscopy, differential scanning calorimetry, rheology) were implemented to screen a large set of minor components at different scales and temperatures. The approach enabled to gain knowledge about the involved mechanisms, both in bulk and in the emulsified state. Minor components modify the kinetics of AMF crystallization through their impact on the two main stages of the process, nucleation and growth. By accelerating or slowing down the rate of crystallization, they modify the nature and/or the structure of the crystal lattice and, possibly, the macroscopic properties of AMF. The impact of minor components on AMF crystallization depend on their chemical nature (length of the carbon chain, degree of unsaturation, esterification) and on their concentration. When fat is emulsified, confinement and interfacial effects come into play. Minor components modulate crystallization via the oil/water interface or via the fat phase depending on their preferential solubility, which may induce specific thermal and structural properties. On the whole, this study enables a better understanding of the factors that modulate milk fat crystallization and provides useful guidances for a better control of this key process controlling the structure and function of dairy products.

Les substrats structurés aux échelles micrométriques et nanométriques sont intéressants pour des applications biomédicales, par exemple dans des puces à ADN/protéines, pour la miniaturisation des « lab-on-chip » ou pour préparer des implants permettant le contrôle de l'adhésion de cellules. Dans la dernière décennie des études ont montrées, que les cellules vivantes peuvent détecter la présence de nano-structures sur les substrats sur lesquels elles adhèrent. Bien que ces mécanismes soient étudiés depuis une dizaine d'années, les mécanismes fondamentaux sont encore en cours d'études. Tant pour une étude au niveau fondamental que dans le but d'applications concrètes, il est important de développer des techniques simples pour structurer des substrats sur de grandes surfaces. Nous avons réalisé une nouvelle méthode alliant un faible coût de fabrication et la biocompatibilité pour structurer et biofonctionnaliser des substrats à l'échelle nanométrique en utilisant des membranes d'alumine poreuses comme masque. Les membranes d'alumine poreuses, préparées par électrochimie, sont naturellement organisées en un réseau hexagonal sur une surface de quelques cm². Nous les utilisons comme masque pour la structuration de surfaces. Des trous réguliers sont gravés dans le substrat à travers les membranes d'alumine poreuses. Ce substrat est ensuite utilisée lors d'une application biologique : une bicouche lipidique est déposée sur le substrat structuré pour imiter les hétérogénéités de la membrane cellulaire. La mobilité de la bicouche est étudiée par corrélation de spectroscopie de fluorescence à rayon variable. Une autre série d'expériences est faite en utilisant des membranes d'alumine poreuses comme masque d'évaporation pour créer des réseaux organisés d'îlots d'organo-silanes. Deux molécules sont utilisées elles possèdent soit une fonction amine réactive soit une longue chaîne carbonée inerte. La bio-fonctionnalisation est ensuite effectuée en utilisant la fonction amine pour accrocher un anticorps. Des études sont effectuées en parallèle, sur des substrats bio-fonctionnalisés à l'échelle micrométrique grâce au micro-contact printing. Le but de cette étude est de mettre au point une biochimie de surface permettant le contrôle de l'adhésion de cellules immunitaires, avec le but de transférer ensuite la biochimie à l'échelle nanométrique. / Substrates patterned at the micro-scale and nano-scale are interesting for biomedical applications, for example, in DNA/protein nano-arrays, for miniaturized lab-on-chip applications or for making smart implants that can control adhesion of cells. In the last decade, some studies showed that living cells can detect nano-scale structures on substrates to which they adhere. Although this behaviour has been observed now for over a decade, the fundamental detection mechanism is still under investigation. Both for fundamental studies and for applications, it is important to develop facile techniques to pattern substrates on a large scale. We have realized a novel technique for patterning and bio-functionalizing substrates at the nano-scale using porous anodic alumina membranes as masks. The ordered porous anodic alumina membranes, prepared by classical electro-chemistry, are naturally organized in an hexagonal array over surface area of few square centimeters. Here we use them as mask for surface patterning. To create an array of nano holes, the substrate is dry etched through the alumina pores. In a biologically relevant application, a lipid bilayer is deposited on the patterned substrate to mimic a heterogeneous cell membrane. The mobility of the bilayer is studied by fluorescent correlation spectroscopy. In a different set of experiments, the porous alumina membranes are used as evaporation mask to create an organized array of alkyl-silane islands - either with a short carbon chain and with a reactive amine group or with a long carbon chain and non-reactive. Afterwards, biochemical functionalization is achieved by exploiting the amino-function of the amino-silane to bind an antibody. In parallel, we have started some studies of adhesion on a pattern substrate at micro-scale with immunological cells. The substrate is pattern by micro contact printing and the cell adhesion is observed by RICM. The aim of this studies is to prepare the biochemistry for the immunological cells adhesion, with the aim or transferring this to the nano-scale.

Konische Mikro- und Nanostrukturen besitzen spezifische magnetische, superhydrophobe und elektrokatalytische Eigenschaften und sind deshalb von hohem Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen. Eine einfache und kostengünstige Methode zur Synthese dieser strukturierten Schichten ist die elektrochemische Abscheidung. Neben dem Einsatz von Capping-Reagenzien (engl. Capping agents) könnten Magnetfelder das lokale Konuswachstum auf einer planaren Elektrode unterstützen. In der vorliegenden Dissertation wird die Elektroabscheidung an konisch strukturierten Metallschichten in Magnetfeldern untersucht. Je nach Ausrichtung und Stärke des Magnetfeldes können die Lorentzkraft und die magnetische Gradientenkraft die Strömung des mit Metallionen angereicherten Elektrolyts in Richtung der Konusspitze gezielt antreiben. Folglich erhöht das Magnetfeld die lokale Abscheidungsrate und fördert das Konuswachstum. Für ein grundlegendes Verständnis des Effektes werden systematische numerische und theoretische Untersuchungen für die Elektroabscheidung an mm-großen Konen unterschiedlicher Materialien, Formen und Anordnungen unter verschiedenen elektrochemischen und magnetischen Bedingungen durchgeführt. Ein parallel zur Konusachse ausgerichtetes homogenes externes Magnetfeld erzeugt durch die Magnetisierung der ferromagnetischen Konen eine magnetische Gradientenkraft, die zu einer starken Unterstützung für das Konuswachstum führt. Dabei überwiegt sie oft gegenüber der Lorentzkraft und der Auftriebskraft, die durch Elektrodenreaktionen entsteht. Diese unterstützende Wirkung wird nur geringfügig abgeschwächt, wenn sich benachbarte Konusse einander annähern. Die numerischen Ergebnisse werden durch experimentelle Daten für verschiedene Konfigurationen und Abscheidungsparameter validiert. Um den Effekt der Magnetfelder zur Unterstützung des Wachstums kleinerer konischer Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich zu ermitteln, werden die Skalengesetze für die Geschwindigkeiten der magnetisch angetriebenen lokalen Strömungen beim Verkleinern der Konusgröße aus numerischen Simulationen abgeleitet und durch eine analytische Lösung bestätigt. Obwohl die magnetische Gradientenkraft eine günstige Strömung bei ferromagnetischen Konussen erzeugt, limitieren die kleine Größe der Strömungsregion und die nahezu konstant verbleibende Dicke der Konzentrationsgrenzschicht die Unterstützung der Magnetfelder. Diese kann jedoch durch die Anwendung gepulster Ströme sowie moderat auch durch den Einsatz stärkerer Magnetfelder weiter erhöht werden. Weiterhin wird eine einfache Modellierung entwickelt, um den Einfluss von Capping-Reagenzien bei der Abscheidung von Nano-Strukturen numerisch zu simulieren. Experimentelle Resultate der von Partnern in Krakau durchgeführten Elektroabscheidung von nanostrukturierten Ni-Schichten in magnetischen Feldern werden mittels Simulationen sowohl globalen Zellströmung als auch der lokalen Strömung analysiert. Die Betrachtung beider Aspekte liefert eine Interpretation der experimentellen Ergebnisse und ermöglicht ein besseres Verständnis der Wirkung des capping agents. Zum Schluss wird der Einfluss der Wasserstoff-Nebenreaktion einbezogen. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass an der Konusspitze sitzende Wasserstoffblasen das Konuswachstum verringern können. Gleichzeig wird die durch die magnetischen Kräfte getriebene Strömung die Ablösung der Wasserstoffblase geringfügig verzögern. / Micro- and nano-sized conical structures possess specific magnetic, superhydrophobic and electrocatalytic properties and are therefore attractive for numerous applications. Among the various methods of manufacturing such structured layers, electrodeposition appears a simple and inexpensive method. Beside the use of capping agents, the application of magnetic fields could support the local growth of cones on a non-templated planar electrode. This dissertation investigates electrodeposition at conically structured metal layers in external magnetic fields. Depending on the direction and the intensity of the magnetic field, the Lorentz force and the magnetic gradient force can generate electrolyte flow and bring electrolyte enriched with metal ions towards the cone tips. As a result, the local deposition rate is increased and conical growth is promoted. In order to obtain a basic understanding of the magnetic field effects, systematic numerical and theoretical investigations are performed for electrodeposition at mm-sized cones of different materials, shapes and arrangements under different electrochemical and magnetic conditions. If a uniform external magnetic field is oriented parallel to the cone axis, the magnetic gradient force enabled by the magnetization of ferromagnetic cones provides a strong support for conical growth, thereby often dominating over the Lorentz force and the buoyancy force arising from electrode reactions. This supporting effect is only slightly mitigated when neighboring cones are getting closer. The numerical results shown are validated by experimental data for different configurations and deposition parameters. In order to explore the prospects of magnetic fields to enhance the growth of smaller, micro- and nanometer sized conical structures, scaling laws of the local flows driven by the magnetic forces are derived numerically and confirmed analytically for shrinking cone sizes. Although the magnetic gradient force can generate a beneficial flow at ferromagnetic cones, the small flow region and the nearly constant thickness of the concentration boundary layer limit the support of the magnetic field. Enhancements of the structuring effect are observed for pulsed deposition and, despite only moderately, at higher magnetic field intensities. Furthermore, a simplified modeling approach is developed to simulate the growth mechanism of nano-cones with respect to the influence of capping agents. Experimental results of the electrodeposition of Ni cones in magnetic fields obtained by partners in Krakow are analyzed by performing simulations of both the global cell flow and the local flows generated by magnetic fields of different orientations. This two-step approach provides an interpretation of the experimental results, and gives a deeper insight on how the capping agent influences the local growth. Finally, the impact of the hydrogen side reaction on the electrodeposition in magnetic fields is considered. The numerical results indicate that hydrogen bubbles sitting at the cone tips may damp conical growth, while the magnetic-field-driven flow imposes a weak stabilizing force on the bubble.

Exciton dynamics in semiconductor nanostructures are dominated by the effects of many-body physics. The application of coherent spectroscopic tools, such as two-dimensional Fourier transform spectroscopy (2dFTS), to the study of these systems can reveal signatures of these effects, and in combination with sophisticated theoretical modeling, can lead to more complete understanding of the behaviour of these systems. 2dFTS has previously been applied to the study of GaAs quantum well samples. In this thesis, we outline a precis of the technique before describing our own experiments using 2dFTS in a partially collinear geometry. This geometry has previously been used to study chemical systems, but we believe these experiments to be the first such performed on semiconductor samples. We extend this technique to a reflection mode 2dFTS experiment, which we believe to be the first such measurement. In order to extend the techniques of coherent spectroscopy to structured systems, we construct an experimental apparatus that permits us to control the beam geometry used to perform four-wave mixing reflection measurements. To isolate extremely weak signals from intense background fields, we extend a conventional lock-in detection scheme to one that treats the optical fields exciting the sample on an unequal footing. To the best of our knowledge, these measurements represent a novel spectroscopic tool that has not previously been described. / text

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt. / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.

The aim of this work was to study the separate effect of fission fragment damage on the structural integrity and matrix dissolution of uranium dioxide in water. Radiation damage similar to fission damage was created by irradiating bulk undoped and doped ‘SIMFUEL’ disks of UO2, undoped bulk CeO2 and thin films of UO2 and CeO2 with high energy Xe and U ions. The UO2 thin films, with thicknesses in the range of 90 – 150 nm, were deposited onto (001), (110) and (111) orientations of single crystal LSAT (Al10La3O51Sr14Ta7) and YSZ (Yttria-Stabilised Zirconia) substrates. The CeO2 thin films were deposited onto single crystal silicon (001) substrates. Part of the bulk UO2 and CeO2 samples, the thin films of UO2 on the LSAT substrates and the thin films of CeO2 were irradiated with 92 MeV 129Xe23+ ions to a fluence of 4.8 × 1015 ions/cm2 to simulate the damage produced by fission fragments in uranium dioxide nuclear fuel. Part of the bulk UO2 and CeO2 samples and the thin films of UO2 on the YSZ substrates were irradiated with 110 MeV 238U31+ ions to a fluence of 5 × 1010, 5 × 1011 and 5 × 1012 ions/cm2 to study the accumulation of the damage induced. The irradiated and unirradiated samples were studied using scanning electron microscopy (SEM), focused ion beam (FIB), atomic force microscopy (AFM), energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy, electron probe microanalysis (EPMA), X-ray diffraction (XRD), electron backscatter diffraction (EBSD), secondary ion mass spectrometry (SIMS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) techniques to characterise the as-produced samples and assess the effects of the ion irradiations. Dissolution experiments were conducted to assess the effect of the Xe ion irradiation on the dissolution of the thin film UO2 samples on the LSAT substrates and the bulk and thin film CeO2 samples. The solutions obtained from the leaching of the irradiated and unirradiated samples were analysed using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). XRD studies of the bulk UO2 samples showed that the ion irradiations resulted in an increased lattice parameter, microstrain and decreased crystallite size, as expected. The irradiated UO2 thin films on the LSAT substrates underwent significant microstructural and crystallographic rearrangements. It was shown that by irradiating thin films of UO2 with high energy, high fluence ions, it is possible to produce a structure that is similar to a thin slice through the high burn-up structure. It is expected that the ion irradiation induced chemical mixing of the UO2 films with the substrate elements (La, Sr, Al, Ta). As a result, a material similar to a doped SIMFUEL with induced radiation damage was produced.

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105 / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105