High pressure on the development of new magnetic materials and their miniaturization also emphasizes the development of new analytical techniques. This diploma thesis deals with the development and demonstration of correlated magnetic force and electron microscopy, which is a promising tool for the characterization of magnetic nanomaterials. The first part of this thesis describes the fundamental physics of micromagnetism with a focus on cylindrical nanofibers. The following pages describe optic, probe, electron, and synchrotron methods for mapping the magnetic properties of materials. The next part describes magnetic domain wall motion in cylindrical nanowires performed as a part of a more extensive material study. The last part of the thesis describes the development of correlated magnetic force and electron microscopy on LiteScope device. A production of magnetic probes was designed and successfully tested. Probes were fabricated by focused electron beam-induced deposition from the Co2(CO)8 precursor. Further, the developed correlated microscopy is demonstrated on a multilayer PtCo sample, magnetic cylindrical nanofibers, NiFe vortex structures, and FeRh metamagnetic nano-islands.

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Die Maxwellschen Gleichungen werden bei der Analyse elektromagnetischer Felder an einem Raumpunkt in Abhängigkeit von den Feldquellen (z.B. Ladungen, Ströme) und beliebiger Anordnung von Gebieten mit Materie unterschiedlicher elektromagnetischer Eigenschaften , für eigene oder auch im Vergleich mit Beispielen anderer Autoren, analytisch oder numerisch iterativ gelöst. Ein eigenes Beispiel ist das Schaltverhalten der Magnetisierung dünner magnetischer (NiFe) Schichten zwischen leitenden (Cu) Schichten, wenn die umschaltenden Magnetfelder durch (n-Sekunden) Impulströme in darüberliegenden Streifenleitern (Cu) erzeugt werden. Verfahren hierzu werden angegeben ebenso wie FORTRAN-Quellprogramme zur näherungsweisen numerischen Lösung des Gesamtsystems der Maxwellschen Gleichungen. Solche Verfahren sind: - Einführung der Strecke, die das Licht im Vakuum in der Zeit t zurücklegt als vierte (imaginäre) Koordinate, - Umschreiben der Maxwellschen Gleichungen durch Verwendung der Tensoralgebra in Koordinatenschreibweise. Dadurch werden nur Skalare (Zahlen) miteinander verknüpft. Es treten keine komplizierten Verknüpfungen von Vektoren auf (Nabla,Rotor,Divergenz,Kreuzprodukt usw.). - Anwendung der vierdimensionalen Fouriertranformation. Ergebnis ist auch ein Vorschlag zur Dicke der leitenden Schichten (größer als die Skin-Eindringtiefe) über der dünnen magnetischen Schicht und die Anordnung der Ansteuerleitungen für nichtzerstörendes Lesen der in der magnetischen Schicht gespeicherten Information.:1. Einleitung 4 1.1. Zum Schaltverhalten ebener dünner magnetischer Schichten 4 1.2. Zur Integration der Maxwellschen Gleichungen 5 1.3. Zur in der Arbeit verwendeten Schreibweise 7 2. Physikalische Grundlagen zur Magnetisierungsdynamik dünner magnetischer Schichten (DMS) 11 2.1. Magnetisierungsänderung in DMS 11 2.1.1. Wandverschiebungsprozesse 11 2.1.2. Kohärente Spin-Rotation (KSR) 12 2.1.3. Nichtkohärente Spin-Rotation (NKSR) 13 2.2. Ummagnetisierung von DMS durch äußere Felder 15 2.2.1. DMS im Eindomänen (ED) –Zustand 15 2.2.1.1. Quasistatische Magnetisierungsänderung 15 2.2.1.2. Dynamisches Verhalten der Magnetisierungsänderung unter dem Einfluß von in der DMS homogenen Feldern 25 2.2.1.2.1. Die Bewegungsgleichung 25 2.2.1.2.2. Näherung für geringe Energiedichte 29 2.2.1.2.3. Viskose-Fluß-Approximation 34 2.2.1.2.4. Näherungslösung nach der nichtlinearen Schwingungstheorie 40 2.3. Zusammenfassung 42 3. Vorbemerkungen zur Analyse der Magnetisierungsdynamik bei DMS in leitender Umgebung 43 4. Ein Beitrag zur Lösung der Maxwellschen Gleichngen (MWG) 44 4.1. Maxwellsche Gleichungen (MWG) im dreidimensionalen Raum 45 4.2. Formulierung der MWG im vierdimensionalen Raum 47 4.2.1. Bemerkung zu den Rand- und Stetigkeitsbedingungen bei der Integration der MWG 55 4.2.2. Die Greensche Funktion (Einflußfunktion) 59 4.3. Anwendung einer Funktionaltransformation 62 4.3.1. Mehrdimensionale Fouriertransformation 64 4.3.2. Vierdimensionale Fouriertransformation der MWG 70 4.3.2.1. Fundamentallösungen, Eindeutigkeit 72 4.3.2.2. Die Helmholtzgleichung und das Prinzip der Grenzabsorption 75 4.3.2.3. Anmerkung zu den Resolventen der Fouriertransformierten Elektromagnetischer Felder 79 4.3.2.4. Lösungsbeispiele 86 4.3.2.4.1. Lösungen der Wellengleichung 86 4.3.2.4.2. Ableitungen verallgemeinerter Funktionen und Greensche Formel 89 4.3.2.4.3. Potential von Doppelleitern 92 4.3.2.4.4. Potential einer Punktladung bei inhomogenem Dielektrikum 93 5. Das DMS-Problem bei geschichteten Medien 97 5.1. Das Magnetfeld in der Schichtebene für eine DMS zwischen leitenden Ebenen 98 5.1.1. Das Magnetfeld in der Schichtebene bei symmetrischer Leiteranordnung 102 5.1.2. Die Einflußfunktion des DMS-Problems 105 5.2. Magnetisierungsdynamik bei inhomogenen Feldern 112 5.2.1. Statische Magnetisierungsänderung bei Entmagnetisierungs- und Streufeldern 114 5.2.1.1. Statisches Magnetfeld in der DMS-Ebene 116 5.2.1.2. Magnetisierungsverteilung unter dem Einfluß inhomogener Felder 120 5.2.1.3. Magnetisierungsdynamik bei inhomogenen Feldern unter Berücksichtigung der Bewegungsgleichung 131 6. Programmkurzbeschreibungen P 1 6.1. Allgemeine Programme P 1 6.1.1. Serviceprogramme P 1 6.1.1.1. Verarbeitung externer Matrizen MPACK P P 1 6.1.1.2. Niveauliniendruck CONPRT PPP1 1 6.1.2. Schnelle Fouriertransformation SFTF P 1 6.1.3. Vierdimensionale Fouriertransformation SMEFT4 P 3 6.2. Programme zum DMS-Problem P 4 6.2.1. Statische Magnetisierungsverteilung bei inhomogenen Feldern HDMS P 4 6.2.2. Sprungantwort des Magnetfeldes in der Schichtebene für einen Magnetisierungssprung. HDMGW Berechnung des Wirbelfeldes und Gesamtfeldes P 5 6.2.3. Magnetisierungsdynamik einer DMS zwischen leitenden Ebenen. EDMTES P 6 Berechnung des Magnetfeldes MDYN,MTENS 6.3. Programme zur genäherten Integration der Maxwellschen Gleichungen über die vierdimensionale schnelle Fourier-Transformation MAWGES P 8 6.3.1. Elektrisches Feld MAW (EPRT) P 10 6.3.2. Magnetisches Feld MAW (BHPRT) P 11 6.3.3. Stromdichteverteilung MAW (SDVPRT) P 12 7. Anhang A1.1 8. FORTRAN-Programm FP 1 9. Literaturverzeichnis L 1

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Enzymsysteme – Ni-haltige Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) und [NiFe]-haltige Hydrogenase – strukturell untersucht. Im 1. Teil werden die Untersuchungen des ACDS-Komplexes aus A. fulgidus mittels Transmissionselektronenmikroskopie (Negativkontrastierung und der Kryo-Einbettung) geschildert. Die 3D-Rekonstruktion mit einer Auflösung von 29 Å wird de novo ermittelt und drei mögliche Positionen für die CODH-Untereinheit vorgeschlagen. Im 2. Teil wird die Röntgenkristallstrukturanalyse der CODH-Untereinheit des ACDS Komplexes aus A. fulgidus geschildert. Das Protein besteht aus α- und ε-Untereinheiten, die zusammen eine α2ε2-Stöchiometrie bilden (Afα2ε). Während die Gesamtstruktur von Afα2ε2 jener von M. barkeri (Mbα2ε2) ähnelt, führt der Austausch der koordinierenden Cys zu Asp und Glu zu einer Deletion des verbrückenden FeS-Zentrums. Die Rolle der ε-Untereinheit wird durch kinetische Studien untersucht. Die CO-abhängige FAD-Reduktionsaktivität von Afα2ε2 folgt einer Michaelis-Menten Kinetik. Die Mbα2ε2 hat ein ähnliches Kinetikverhalten. Im Gegensatz dazu weist die CODH-II von C. hydrogenoformans, die keine ε-Untereinheit hat, eine lineare Abhängigkeit der CO-abhängigen FAD-Reduktionsaktivität von Flavin auf. Diese Beobachtungen sind im Einklang mit der Annahme, dass die ε-Untereinheit ein Gerüst für die Flavinbindung bereitstellt. Der 3. Teil ist der F420-reduzierenden Hydrogenase aus M. barkeri (MbFRH) gewidmet. Die Struktur von MbFRH wird mittels Röntgenkristallographie bestimmt und ergibt eine dodekamerische Anordnung von ca. 1.2 MDa. Zusammen mit der etablierten Elektronenübertragungskette, beobachtet in FRH aus M. marburgensis, wird in MbFRH auch ein [2Fe2S]-Cluster und eine Fe-Stelle detektiert. Schließlich führen die schwingungsspektroskopischen Analysen zusammen mit der Röntgenkristallographie zu dem Schluss, dass MbFRH in einem bisher strukturell nicht charakterisierten, katalytisch aktiven Nia-S Zustand isoliert wird. / In this work, we structurally characterize two metal-based enzyme systems from archaea: Ni-containing CO dehydrogenase (CODH) and [NiFe] containing hydrogenase. In the first chapter we investigate, using transmission electron microscopy, the ACDS complex from A. fulgidus (AfACDS). The purified ACDS complex can be visualized as an intact globular protein particle by negative stain and vitrification techniques. The 3D reconstruction is determined de novo to 29 Å-resolution by single-particle analysis. We suggest three possible positions for the CODH subunit within ACDS by rigid-body fitting. In the second chapter we determine the X-ray crystal structure of the CODH subunit. The 220 kDa protein is composed of α- and ε-subunits that form a heterodimer with (α2ε2) stoichiometry (Afα2ε2). While the overall structure of Afα2ε2 resembles the previously reported structure of the α2ε2-subunit from M. barkeri (Mbα2ε2), the naturally-occurring exchange of the Cys to Asp and Glu results in a depletion of the bridging iron-sulfur cluster. The role of the ε-subunit is investigated by kinetics studies. CO-dependent FAD reduction activity of Afα2ε2 exhibits Michaelis-Menten type kinetics. The same kinetic type is demonstrated for the Mbα2ε2-subunit. In contrast, the ε-subunit lacking CODH-II from C. hydrogenoformans shows linear dependency between CO-dependent FAD reduction activity and flavin concentration. The data suggests that the ε-subunit provides a scaffold for the flavin binding. In the third chapter we study the F420-reducing hydrogenase from M. barkeri (MbFRH). Its structure is solved by X-ray crystallography, revealing a dodecameric arrangement of 1.2 MDa. Along with the established ET chain observed in FRH from M. marburgensis, one solvent-exposed [2Fe2S] cluster and an additional Fe metal site are detected. The combined approach of X-ray crystallography and vibrational spectroscopy reveals that MbFRH is isolated in the previously structurally uncharacterized Nia-S state.

Dans un contexte d'integration des dispositifs de conversion d'energie de petite puissance, le travail de these presente porte sur la realisation de micro-bobines integrees sur silicium. Les contraintes liees a ce type d'integration resident dans la mise au point, la compatibilite des procedes technologiques contribuant a la fabrication du systeme complet et le cout de fabrication. Dans un premier temps, une etude bibliographique nous a permis de faire une synthese sur les structures integrables de micro-bobines ainsi que sur les materiaux conducteurs et magnetiques et leurs techniques de depot. Une fois les objectifs fixes, notamment concernant la nature des materiaux a deposer, nous avons mis au point les depots electrochimiques et les procedes photolithographiques de resines epaisses destinees a la realisation de moules. Ces resines doivent resister a la fois a des contraintes chimiques et physiques fortes. Une premiere structure de micro-bobine de type spirale a ete dimensionnee et le processus de fabrication a ete identifie. En parallele, des motifs specifiques de forme bien definie ont ete etudies puis realises afin de caracteriser les couches deposees par electrochimie, en termes de resistivite, permeabilite et composition de l'alliage. La derniere partie de la these a consiste a appliquer ce procede de fabrication a une seconde structure de bobine dont la geometrie a ete definie dans le but de reduire le nombre d'etapes technologiques. Actuellement les premiers prototypes de ces bobines ont ete realises avec de faibles epaisseurs de materiaux. Ceci nous a permis de valider les procedes de fabrication de ces dispositifs.

Monolayer two-dimensional (2D) materials have been regarded as a hot topic in the fields of condensed matter physics, materials science, and chemistry due to their unique physical, chemical, and electronic properties. However, the research on the preparation method and properties understanding of the 2D monolayer are inadequate. In this dissertation, taking 2D nickel-iron layered double hydroxides (NiFe LDHs) and molybdenum disulfide (MoS2) as examples, the practicability of the direct synthesis of NiFe LDHs monolayer and the thermal enhancement catalytic performance of 2D MoS2 monolayer (MoS2 ML) are discussed. First, a one-pot synthetic strategy (bottom-up method) is presented to synthesize 2D NiFe-based LDHs monolayers, including NiFe, Co-, Ru-, doped, and Au-modified NiFe LDHs. The prerequisite and universality of this strategy are investigated and confirmed. The features of LDHs are characterized by advanced technologies. The obtained LDH bulks own a large interlayer spacing up to 8.2 Å, which can be facilely exfoliated into monolayers in water by hand-shaking within 10 s. As a result, the as-prepared NiFe-based LDH monolayers display a good electrocatalytic oxygen evolution reaction (OER) performance. This facile strategy paves the way for designing easily exfoliated LDHs for highly active catalysts and energy conversion devices based on other monolayer LDHs. Second, with gold-modified tape, 2D MoS2 ML is exfoliated from the bulk crystal through a micromechanical exfoliation method (top-down strategy). The thermal effects of MoS2 ML are confirmed by Raman and photoluminescence (PL) spectra. Moreover, an on-chip MoS2 ML hydrogen evolution reaction (HER) reactor is designed and fabricated. The thermal effects generate efficient electron transfer in the MoS2 ML and at the electrolyte-catalyst (MoS2 ML) interface, leading to an enhanced HER performance. Compared to the results obtained at room temperature, the MoS2 ML shows a direct thermal enhanced HER performance at higher temperatures. In summary, the findings and understandings, the direct synthesis and direct thermal enhancement catalytic performance, of 2D monolayers offer a guideline for synthesizing and catalyst application of other 2D monolayers.

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.

This thesis presents novel radio frequency microelectromechanical (RF MEMS) circuits based on the three-dimensional (3-D) micromachined coplanar transmission lines whose geometry is re-configured by integrated microelectromechanical actuators. Two types of novel RF MEMS devices are proposed. The first is a concept of MEMS capacitors tuneable in multiple discrete and well-defined steps, implemented by in-plane moving of the ground side-walls of a 3-D micromachined coplanar waveguide transmission line. The MEMS actuators are completely embedded in the ground layer of the transmission line, and fabricated using a single-mask silicon-on-insulator (SOI) RF MEMS fabrication process. The resulting device achieves low insertion loss, a very high quality factor, high reliability, high linearity and high self actuation robustness. The second type introduces two novel concepts of area efficient, ultra-wideband, MEMS-reconfigurable coupled line directional couplers, whose coupling is tuned by mechanically changing the geometry of 3-D micromachined coupled transmission lines, utilizing integrated MEMS electrostatic actuators. The coupling is achieved by tuning both the ground and the signal line coupling, obtaining a large tuneable coupling ratio while maintaining an excellent impedance match, along with high isolation and a very high directivity over a very large bandwidth. This thesis also presents for the first time on RF nonlinearity analysis of complex multi-device RF MEMS circuits. Closed-form analytical formulas for the IIP3 of MEMS multi-device circuit concepts are derived. A nonlinearity analysis, based on these formulas and on  measured device parameters, is performed for different circuit concepts and compared to the simulation results of multi-device  conlinear electromechanical circuit models. The degradation of the overall circuit nonlinearity with increasing number of device stages is investigated. Design rules are presented so that the mechanical parameters and thus the IIP3 of the individual device stages can be optimized to achieve a highest overall IIP3 for the whole circuit.The thesis further investigates un-patterned ferromagnetic NiFe/AlN multilayer composites used as advanced magnetic core materials for on-chip inductances. The approach used is to increase the thickness of the ferromagnetic material without increasing its conductivity, by using multilayer NiFe and AlN sandwich structure. This suppresses the induced currents very effectively and at the same time increases the ferromagnetic resonance, which is by a factor of 7.1 higher than for homogeneous NiFe layers of same thickness. The so far highest permeability values above 1 GHz for on-chip integrated un-patterned NiFe layers were achieved. / <p>QC 20140328</p>