Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005

Regensburg, Univ., Diss., 2008.

The intergalactic medium is kept highly photoionised by the intergalactic UV background radiation field generated by the overall population of quasars and galaxies. In the vicinity of sources of UV photons, such as luminous high-redshift quasars, the UV radiation field is enhanced due to the local source contribution. The higher degree of ionisation is visible as a reduced line density or generally as a decreased level of absorption in the Lyman alpha forest of neutral hydrogen. This so-called proximity effect has been detected with high statistical significance towards luminous quasars. If quasars radiate rather isotropically, background quasar sightlines located near foreground quasars should show a region of decreased Lyman alpha absorption close to the foreground quasar. Despite considerable effort, such a transverse proximity effect has only been detected in a few cases. So far, studies of the transverse proximity effect were mostly limited by the small number of suitable projected pairs or groups of high-redshift quasars. With the aim to substantially increase the number of quasar groups in the vicinity of bright quasars we conduct a targeted survey for faint quasars around 18 well-studied quasars at employing slitless spectroscopy. Among the reduced and calibrated slitless spectra of 29000 objects on a total area of 4.39 square degrees we discover in total 169 previously unknown quasar candidates based on their prominent emission lines. 81 potential z>1.7 quasars are selected for confirmation by slit spectroscopy at the Very Large Telescope (VLT). We are able to confirm 80 of these. 64 of the newly discovered quasars reside at z>1.7. The high success rate of the follow-up observations implies that the majority of the remaining candidates are quasars as well. In 16 of these groups we search for a transverse proximity effect as a systematic underdensity in the HI Lyman alpha absorption. We employ a novel technique to characterise the random absorption fluctuations in the forest in order to estimate the significance of the transverse proximity effect. Neither low-resolution spectra nor high-resolution spectra of background quasars of our groups present evidence for a transverse proximity effect. However, via Monte Carlo simulations the effect should be detectable only at the 1-2sigma level near three of the foreground quasars. Thus, we cannot distinguish between the presence or absence of a weak signature of the transverse proximity effect. The systematic effects of quasar variability, quasar anisotopy and intrinsic overdensities near quasars likely explain the apparent lack of the transverse proximity effect. Even in absence of the systematic effects, we show that a statistically significant detection of the transverse proximity effect requires at least 5 medium-resolution quasar spectra of background quasars near foreground quasars whose UV flux exceeds the UV background by a factor 3. Therefore, statistical studies of the transverse proximity effect require large numbers of suitable pairs. Two sightlines towards the central quasars of our survey fields show intergalactic HeII Lyman alpha absorption. A comparison of the HeII absorption to the corresponding HI absorption yields an estimate of the spectral shape of the intergalactic UV radiation field, typically parameterised by the HeII/HI column density ratio eta. We analyse the fluctuating UV spectral shape on both lines of sight and correlate it with seven foreground quasars. On the line of sight towards Q0302-003 we find a harder radiation field near 4 foreground quasars. In the direct vicinity of the quasars eta is consistent with values of 25-100, whereas at large distances from the quasars eta>200 is required. The second line of sight towards HE2347-4342 probes lower redshifts where eta is directly measurable in the resolved HeII forest. Again we find that the radiation field near the 3 foreground quasars is significantly harder than in general. While eta still shows large fluctuations near the quasars, probably due to radiative transfer, the radiation field is on average harder near the quasars than far away from them. We interpret these discoveries as the first detections of the transverse proximity effect as a local hardness fluctuation in the UV spectral shape. No significant HI proximity effect is predicted for the 7 foreground quasars. In fact, the HI absorption near the quasars is close to or slightly above the average, suggesting that the weak signature of the transverse proximity effect is masked by intrinsic overdensities. However, we show that the UV spectral shape traces the transverse proximity effect even in overdense regions or at large distances. Therefore, the spectral hardness is a sensitive physical measure of the transverse proximity effect that is able to break the density degeneracy affecting the traditional searches. / Das intergalaktische Medium wird durch das intergalaktische UV-Hintergrundsstrahlungsfeld in einem hochgradig photoionisierten Zustand gehalten. Der UV-Hintergrund stammt von der gesamten Population von Quasaren und Galaxien. In der Nähe von leuchtkräftigen Quasaren, ist das UV-Strahlungsfeld lokal erhöht durch den Anteil der Quelle. Der höhere Ionisationsgrad ist beobachtbar als eine reduzierte Liniendichte oder allgemein als ein vermindertes Maß an Absorption im Lyman-alpha Wald des neutralen Wasserstoffs. Dieser sogenannte Proximity-Effekt ist bei leuchtkräftigen Quasaren mit hoher statistischer Signifikanz nachgewiesen worden. Falls Quasare fast isotrop strahlen, dann sollten Sichtlinien zu Hintergrundquasaren in der Nähe von Vordergrundquasaren eine Region mit verminderter Absorption zeigen. Trotz beträchtlichen Aufwands wurde solch ein transversaler Proximity-Effekt nur in wenigen Fällen entdeckt. Bisher waren Studien des transversalen Proximity-Effekts meist begrenzt durch die kleine Anzahl von geeigneten projizierten Paaren oder Gruppen von hochrotverschobenen Quasaren. Mit dem Ziel die Zahl der Quasargruppen in der Nähe von hellen Quasaren beträchtlich zu erhöhen, führen wir eine gezielte Suche nach schwachen Quasaren um 18 oft studierte Quasare durch. Unter den reduzierten und kalibrierten spaltlosen Spektren von 29000 Objekten auf einer Gesamtfläche von 4.39 Quadratgrad entdecken wir insgesamt 169 vorher unbekannte Quasarkandidaten anhand ihrer Emissionslinien. 81 potentielle z>1.7 Quasare werden ausgesucht zur Bestätigung mittels Spaltspektroskopie am Very Large Telescope (VLT). Wir können 80 von diesen als Quasare bestätigen. 64 der neu entdeckten Quasare liegen bei z>1.7. Die hohe Erfolgsrate der Nachfolgebeobachtungen deutet an, dass die Mehrzahl der verbleibenden Kandidaten ebenfalls Quasare sind. In 16 dieser Gruppen suchen wir nach dem transversalen Proximity-Effekt als eine systematische Unterdichte in der HI Lyman-alpha-Absorption. Wir nutzen eine neuartige Methode die zufälligen Absorptionsfluktuationen zu charakterisieren, um die Signifikanz des transversalen Proximity-Effekts abschätzen zu können. Weder schwach aufgelöste noch hoch aufgelöste Spektren von Hintergrundquasaren unserer Gruppen zeigen Anzeichen für einen transversalen Proximity-Effekt. Aufgrund von Monte Carlo Simulationen sollte der Effekt jedoch nur schwach in der Nähe von 3 Vordergrundquasaren detektierbar sein. Deshalb können wir nicht zwischen An- oder Abwesenheit des Effekts unterscheiden. Selbst in Abwesenheit von systematischen Effekten zeigen wir, dass eine statistisch signifikante Detektion des transversalen Proximity-Effekts mindestens 5 Hintergrundquasarspektren bei mittlerer Auflösung nahe Vordergrundquasaren erfordert, deren UV-Fluss den UV-Hintergrund um einen Faktor 3 übersteigt. Deshalb erfordern statistische Studien des transversalen Proximity-Effekts große Zahlen von geeigneten Quasaren. Zwei Sichtlinien zeigen HeII-Absorption. Ein Vergleich der HeII-Absorption mit der entsprechenden HI-Absorption liefert eine Abschätzung der Spektralform des UV-Strahlungsfelds, das typischerweise durch das HeII/HI Säulendichteverhältnis eta parameterisiert wird. Wir analysieren die fluktuierende spektrale Form des UV-Strahlungsfelds auf beiden Sichtlinien und korrelieren sie mit 7 Vordergrundquasaren. Auf der Sichtlinie zu Q0302-003 finden wir ein härteres Strahlungsfeld nahe 4 Vordergrundquasaren. In der direkten Umgebung der Quasare ist eta konsistent mit Werten von 25-100, wogegen bei großen Entfernungen zu den Quasaren eta>200 erforderlich ist. Die zweite Sichtlinie zu HE2347-4342 sondiert kleinere Rotverschiebungen. Wieder finden wir, dass das Strahlungsfeld nahe der 3 Vordergrundquasaren signifikant härter ist als im allgemeinen. Während eta trotzdem große Fluktuationen nahe den Quasaren aufweist, die wahrscheinlich von Strahlungstransport herrühren, ist das Strahlungsfeld in der Nähe der Quasare im Mittel härter als in großer Entfernung. Wir interpretieren diese Entdeckungen als die ersten Detektionen des transversalen Proximity-Effekts als eine lokale Fluktuation im spektralen Härtegrad. Kein signifikanter HI Proximity-Effekt ist für die 7 Vordergrundquasare vorhergesagt. Tatsächlich ist die HI-Absorption nahe den Quasaren nahe am oder etwas über dem Mittelwert, was darauf hindeutet, dass die schwache Signatur des transversalen Proximity-Effekts maskiert wird durch intrinsische Überdichten. Jedoch zeigen wir, dass der Härtegrad den transversalen Proximity-Effekt selbst in überdichten Regionen oder auf großen Distanzen sichtbar werden läßt. Deshalb ist der spektrale Härtegrad ein empfindliches physikalisches Maß für den transversalen Proximity-Effekt, der in der Lage ist, die Dichteentartung zu brechen, die die traditionelle Suche behindert.

Ziele wie eine hohe Auflösung und ein hoher Durchsatz sind bisher in der Elektronenstrahllithografie nicht gleichzeitig erreichbar; es existieren daher die Belichtungskonzepte Gaussian-Beam und Variable-Shaped-Beam (VSB), die auf Hochauflösung respektive Durchsatz optimiert sind. In dieser Arbeit wird der experimentelle Kreuzvergleich beider Belichtungskonzepte mit Hilfe chemisch verstärkter und nicht verstärkter Lacksysteme präsentiert. Als quantitativer Parameter wurde die Gesamtunschärfe eingeführt, die sich durch quadratische Addition der auflösungslimitierenden Fehlerquellen, also Coulomb-Wechselwirkungen (Strahlunschärfe), Lackprozess (Prozessunschärfe) und Proximity-Effekt (Streuunschärfe), ergibt. Für den Vergleich wurden wohldefinierte Prozesse auf 300 mm Wafern entwickelt und umfassend charakterisiert. Weitere Grundlage ist die Anpassung oder Neuentwicklung spezieller Methoden wie Kontrast- und Basedosebestimmung, Doughnut-Test, Isofokal-Dosis-Methode für Linienbreiten und Linienrauheit sowie die Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus. Es wird demonstriert, dass sich mit einer kleineren Gesamtunschärfe die Auflösung dichter Linien verbessert. Der direkte Vergleich der Gesamtunschärfen beider Belichtungskonzepte wird durch die variable Strahlunschärfe bei VSB-Schreibern erschwert. Da für die Bestimmung der Gesamtunschärfe keine Hochauflösung nötig ist, wird das Testpattern mit größeren Shots belichtet und induziert somit eine größere Gesamtunschärfe. Es wird gezeigt, dass die Prozessunschärfe den größten Anteil der Gesamtunschärfe stellt. Außerdem spielt die Streuunschärfe bei Lackdicken kleiner 100 nm und Beschleunigungsspannungen von 50 kV oder größer keine Rolle. / Up to now, targets like high resolution and high throughput can not be achieved at the same time in electron beam lithography; therefore, the exposure concepts Gaussian-Beam and Variable-Shaped-Beam (VSB) exist, which are optimized for high resolution and throughput, respectively. In this work, the experimental cross-comparison of both exposure concepts is presented using chemically amplified and non-chemically amplified resist systems. For quantification the total blur parameter has been introduced, which is the result of the quadratic addition of the resolution limiting error sources, like Coulomb interactions (beam blur), resist process (process blur) and proximity-effect (scatter blur). For the comparison, well-defined processes have been developed on 300 mm wafers and were fully characterized. Further basis is the adaption or the new development of special methods like the determination of contrast and basedose, the doughnut-test, the isofocal-dose-method for line widths and line roughness as well as the determination of the total blur with variation of the focus. It is demonstrated, that the resolution of dense lines is improved with a smaller total blur. The direct comparison of the total blur values of both exposure concepts is complicated by the variable beam blur of VSB writers. Since high resolution is not needed for the determination of the total blur, the test pattern is exposed with larger shots on the VSB writer, which induces a larger total blur. It is shown that the process blur makes the largest fraction of the total blur. The scatter blur is irrelevant using resist thicknesses smaller than 100 nm and acceleration voltages of 50 kV or larger.

Ziele wie eine hohe Auflösung und ein hoher Durchsatz sind bisher in der Elektronenstrahllithografie nicht gleichzeitig erreichbar; es existieren daher die Belichtungskonzepte Gaussian-Beam und Variable-Shaped-Beam (VSB), die auf Hochauflösung respektive Durchsatz optimiert sind. In dieser Arbeit wird der experimentelle Kreuzvergleich beider Belichtungskonzepte mit Hilfe chemisch verstärkter und nicht verstärkter Lacksysteme präsentiert. Als quantitativer Parameter wurde die Gesamtunschärfe eingeführt, die sich durch quadratische Addition der auflösungslimitierenden Fehlerquellen, also Coulomb-Wechselwirkungen (Strahlunschärfe), Lackprozess (Prozessunschärfe) und Proximity-Effekt (Streuunschärfe), ergibt. Für den Vergleich wurden wohldefinierte Prozesse auf 300 mm Wafern entwickelt und umfassend charakterisiert. Weitere Grundlage ist die Anpassung oder Neuentwicklung spezieller Methoden wie Kontrast- und Basedosebestimmung, Doughnut-Test, Isofokal-Dosis-Methode für Linienbreiten und Linienrauheit sowie die Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus. Es wird demonstriert, dass sich mit einer kleineren Gesamtunschärfe die Auflösung dichter Linien verbessert. Der direkte Vergleich der Gesamtunschärfen beider Belichtungskonzepte wird durch die variable Strahlunschärfe bei VSB-Schreibern erschwert. Da für die Bestimmung der Gesamtunschärfe keine Hochauflösung nötig ist, wird das Testpattern mit größeren Shots belichtet und induziert somit eine größere Gesamtunschärfe. Es wird gezeigt, dass die Prozessunschärfe den größten Anteil der Gesamtunschärfe stellt. Außerdem spielt die Streuunschärfe bei Lackdicken kleiner 100 nm und Beschleunigungsspannungen von 50 kV oder größer keine Rolle.:Titelblatt Kurzfassung / Abstract 1 Motivation 2 Grundsätze und Fragestellungen der Elektronenstrahllithografie 2.1 Wirkprinzipien der Elektronenoptik 2.1.1 Köhlersche Beleuchtung 2.1.2 Linsenfehler 2.1.3 Raumladung, Coulomb-Wechselwirkungen und Strahlunschärfe 2.2 Proximity-Effekt 2.2.1 Streuprinzipien der Wechselwirkung Elektron-Materie 2.2.2 Strukturdefinition, Proximity-Effekt-Korrektur und Streuunschärfe 2.3 Lackeigenschaften und Lackchemie 2.3.1 Tonalität und Prozessierung 2.3.2 Kontrast und Empfindlichkeit 2.3.3 Chemisch nicht verstärkte Lacke 2.3.4 Chemisch verstärkte Lacke 2.3.5 Prozessunschärfe 2.4 Auflösung 2.4.1 Prinzip von Gaussian-Beam und Variable-Shaped Beam 2.4.2 Aufbau, Strahlengang, Intensitätsprofil und Auflösung beider Belichtungskonzepte 2.4.3 Messtechnische Bestimmung der Auflösung 2.4.4 Schlussfolgerung für die Auflösung und Definition der Gesamtunschärfe 3 Prozessentwicklung und -charakterisierung 3.1 Chemisch verstärkte Negativlacke einer Lackserie 3.1.1 Vergleich der Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.1.2 Vergleich der Kontrastkurven und Charakteristika 3.1.3 Entwicklungseinfluss auf Kontrastkurven und Linienbreiten 3.1.4 Vergleichende Backempfindlichkeiten bezüglich PAB und PEB 3.1.5 Auswahl von Prozess und nCAR3 für weitere Experimente 3.1.6 Struktur des Lackmaterials und FTIR-Untersuchungen des nCAR3 3.2 HSQ als chemisch nicht verstärkter Lack 3.2.1 Prozessierung 3.2.2 Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.2.3 Einfluss der Entwicklung und der Wartezeit nach dem Belacken auf Kontrastkurven und Auflösung 3.2.4 Einfluss der Schichtdicke auf Kontrastkurven und Basedose 3.2.5 Mögliche Temperaturschritte 3.2.6 Auflösung 3.2.7 Struktur, Reaktion und grundlegende FTIR-Untersuchungen 4 Methodenentwicklung für späteren Vergleich 4.1 Kontrastbestimmung 4.2 Definition der Basedose und deren Bestimmung 4.3 Bestimmung der Modulationstransferfunktion 4.4 Doughnut-Test zur Rückstreuparameterbestimmung 4.5 Isofokal-Dosis-Methode 4.6 Erweiterte Isofokal-Dosis-Methode zur Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus 5 Experimenteller Kreuzvergleich 5.1 Prozessbedingungen für nCAR3 und HSQ 5.2 Prozessvergleich: Kontrast, Basedose, Prozessbreite 5.3 Isofokal-Dosis-Methode angewendet auf Linienbreite, Auflösung und Linienrauheit 5.4 Bestimmung der Gesamtunschärfe 5.5 Doughnut-Test für Variable-Shaped-Beam-Schreiber 5.6 Vergleich der Modulationstransferfunktionen 5.7 Auflösung isolierter und dichter Linien 5.8 Interpretation und Verknüpfung der experimentellen Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Abkürzungen Formelzeichen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung Lebenslauf / Up to now, targets like high resolution and high throughput can not be achieved at the same time in electron beam lithography; therefore, the exposure concepts Gaussian-Beam and Variable-Shaped-Beam (VSB) exist, which are optimized for high resolution and throughput, respectively. In this work, the experimental cross-comparison of both exposure concepts is presented using chemically amplified and non-chemically amplified resist systems. For quantification the total blur parameter has been introduced, which is the result of the quadratic addition of the resolution limiting error sources, like Coulomb interactions (beam blur), resist process (process blur) and proximity-effect (scatter blur). For the comparison, well-defined processes have been developed on 300 mm wafers and were fully characterized. Further basis is the adaption or the new development of special methods like the determination of contrast and basedose, the doughnut-test, the isofocal-dose-method for line widths and line roughness as well as the determination of the total blur with variation of the focus. It is demonstrated, that the resolution of dense lines is improved with a smaller total blur. The direct comparison of the total blur values of both exposure concepts is complicated by the variable beam blur of VSB writers. Since high resolution is not needed for the determination of the total blur, the test pattern is exposed with larger shots on the VSB writer, which induces a larger total blur. It is shown that the process blur makes the largest fraction of the total blur. The scatter blur is irrelevant using resist thicknesses smaller than 100 nm and acceleration voltages of 50 kV or larger.:Titelblatt Kurzfassung / Abstract 1 Motivation 2 Grundsätze und Fragestellungen der Elektronenstrahllithografie 2.1 Wirkprinzipien der Elektronenoptik 2.1.1 Köhlersche Beleuchtung 2.1.2 Linsenfehler 2.1.3 Raumladung, Coulomb-Wechselwirkungen und Strahlunschärfe 2.2 Proximity-Effekt 2.2.1 Streuprinzipien der Wechselwirkung Elektron-Materie 2.2.2 Strukturdefinition, Proximity-Effekt-Korrektur und Streuunschärfe 2.3 Lackeigenschaften und Lackchemie 2.3.1 Tonalität und Prozessierung 2.3.2 Kontrast und Empfindlichkeit 2.3.3 Chemisch nicht verstärkte Lacke 2.3.4 Chemisch verstärkte Lacke 2.3.5 Prozessunschärfe 2.4 Auflösung 2.4.1 Prinzip von Gaussian-Beam und Variable-Shaped Beam 2.4.2 Aufbau, Strahlengang, Intensitätsprofil und Auflösung beider Belichtungskonzepte 2.4.3 Messtechnische Bestimmung der Auflösung 2.4.4 Schlussfolgerung für die Auflösung und Definition der Gesamtunschärfe 3 Prozessentwicklung und -charakterisierung 3.1 Chemisch verstärkte Negativlacke einer Lackserie 3.1.1 Vergleich der Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.1.2 Vergleich der Kontrastkurven und Charakteristika 3.1.3 Entwicklungseinfluss auf Kontrastkurven und Linienbreiten 3.1.4 Vergleichende Backempfindlichkeiten bezüglich PAB und PEB 3.1.5 Auswahl von Prozess und nCAR3 für weitere Experimente 3.1.6 Struktur des Lackmaterials und FTIR-Untersuchungen des nCAR3 3.2 HSQ als chemisch nicht verstärkter Lack 3.2.1 Prozessierung 3.2.2 Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.2.3 Einfluss der Entwicklung und der Wartezeit nach dem Belacken auf Kontrastkurven und Auflösung 3.2.4 Einfluss der Schichtdicke auf Kontrastkurven und Basedose 3.2.5 Mögliche Temperaturschritte 3.2.6 Auflösung 3.2.7 Struktur, Reaktion und grundlegende FTIR-Untersuchungen 4 Methodenentwicklung für späteren Vergleich 4.1 Kontrastbestimmung 4.2 Definition der Basedose und deren Bestimmung 4.3 Bestimmung der Modulationstransferfunktion 4.4 Doughnut-Test zur Rückstreuparameterbestimmung 4.5 Isofokal-Dosis-Methode 4.6 Erweiterte Isofokal-Dosis-Methode zur Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus 5 Experimenteller Kreuzvergleich 5.1 Prozessbedingungen für nCAR3 und HSQ 5.2 Prozessvergleich: Kontrast, Basedose, Prozessbreite 5.3 Isofokal-Dosis-Methode angewendet auf Linienbreite, Auflösung und Linienrauheit 5.4 Bestimmung der Gesamtunschärfe 5.5 Doughnut-Test für Variable-Shaped-Beam-Schreiber 5.6 Vergleich der Modulationstransferfunktionen 5.7 Auflösung isolierter und dichter Linien 5.8 Interpretation und Verknüpfung der experimentellen Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Abkürzungen Formelzeichen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung Lebenslauf

The work presented in this thesis encompasses the design, development, realization and testing of novel magnetoelectric thin film elements that do not rely on ferromagnets, but are based entirely on magnetoelectric antiferromagnets such as Cr2O3. Thin film spintronic elements, and in particular magnetoelectric transducers, are crucial building blocks of high efficiency data processing schemes that could complement conventional electronic data processing in the future. Recent developments in magnetoelectrics have revealed, that exchange biased systems are ill-suited to electric field induced switching of magnetization due to the strong coupling of their ferromagnetic layer to magnetic fields. Therefore, ferromagnet-free magnetoelectric elements are proposed here in an effort to mitigate the practical problems associated with existing exchange biased magnetoelectric elements. This goal is achieved by establishing an all-electric read-out method for the antiferromagnetic order parameter of thin films, which allows to omit the ferromagnet from conventional exchange biased magnetoelectric elements. The resulting ferromagnet-free magnetoelectric elements show greatly reduced writing thresholds, enabled operation at room temperature and do not require a pulsed magnetic field, all of which is in contrast to state-of-the-art exchange biased magnetoelectric systems. The novel all-electric read-out method of the magnetic field-invariant magnetization of antiferromagnets, so-called spinning-current anomalous Hall magnetometry, can be widely employed in other areas of thin film magnetism. Its high precision and its sensitivity to previously invisible phenomena make it a promising tool for various aspects of thin solid films. Based on this technique, a deep understanding could be generated as to what physical mechanisms drive the antiferromagnetic ordering in thin films of magnetoelectric antiferromagnets. As spinning-current anomalous Hall magnetometry is an integral probe of the magnetic properties in thin films, it offers no intrinsic scale sensitivity. In order to harness its great precision for scale related information, a statistical framework was developed, which links macroscopic measurements with microscopic properties such as the antiferromagnetic domain size.

This Master Thesis deals with the study of analytical and finite-element (FE) models for calculation of losses in traction induction motors. Motors are fed through inverters for this type of application. Therefore, both fundamental and harmonic losses are considered. The study is done with one particular motor and one initial analytical model. In order to validate the model and improve it, a FE model is developed with the tool FLUX 2D. Several chosen operating points with different modulation patterns are simulated both with FE and analytical models and results are compared. Stator and rotor Joule losses are studied first. A model to calculate stator Joule losses at strand level is proposed as an improvement to the current analytical model. Then iron losses, both in stator and rotor, are calculated. Two different computations methods with data extraction from FE are studied: the Bertotti model and a recently developed method called MVPRS in the report. It is based on a mathematical model for curve fitting of the core loss material data. Results with the two methods are compared with the ones from ana-lytical model. Finally total fundamental and harmonic losses are compared with measurements and conclusions are drawn on the quality and accuracy of the analytical model. / Detta examensarbete handlar om analytiska och Finita Element (FE) modeller för beräkning av förluster i asynkronmotorer för traktion. Motorer matas genom växelriktare för denna typ av applikation. Därför är det nödvändigt att både grundläggande och harmoniska förluster beaktas. Studien görs för en särskild motor och en redan existerande analytisk modell. För att validera modellen och förbättra den, utvecklats en FE modell med verktyget FLUX 2D. Flera arbetspunkter med olika moduleringsmönster simuleras både med FE och analytiska modeller och resultaten jämförs. Först studeras stator och rotor Joule förluster. En modell för att beräkna stator Joule förluster i varje ledare föreslås som en förbättring av den nuvarande analytiska modellen. Sedan beräknas järnförluster, både i stator och rotor, beräknas. Två olika metoder baserad på flödestäthet variationer i tid och rum från FE simuleringar studeras med Bertottis modell och en nyutvecklad metod som kallas MVPRS. Den är baserat på en matematisk modell för kurvanpassning av materialet förlust data. Resultaten med de två metoderna jämförs med de från analytiska modellen. Slutligen jämförs totala fundamentala och harmoniska förluster med mätningar och slutsatser dras om kvalitet och noggrannhet av analytiska modellen.

The work presented in this thesis encompasses the design, development, realization and testing of novel magnetoelectric thin film elements that do not rely on ferromagnets, but are based entirely on magnetoelectric antiferromagnets such as Cr2O3. Thin film spintronic elements, and in particular magnetoelectric transducers, are crucial building blocks of high efficiency data processing schemes that could complement conventional electronic data processing in the future. Recent developments in magnetoelectrics have revealed, that exchange biased systems are ill-suited to electric field induced switching of magnetization due to the strong coupling of their ferromagnetic layer to magnetic fields. Therefore, ferromagnet-free magnetoelectric elements are proposed here in an effort to mitigate the practical problems associated with existing exchange biased magnetoelectric elements. This goal is achieved by establishing an all-electric read-out method for the antiferromagnetic order parameter of thin films, which allows to omit the ferromagnet from conventional exchange biased magnetoelectric elements. The resulting ferromagnet-free magnetoelectric elements show greatly reduced writing thresholds, enabled operation at room temperature and do not require a pulsed magnetic field, all of which is in contrast to state-of-the-art exchange biased magnetoelectric systems. The novel all-electric read-out method of the magnetic field-invariant magnetization of antiferromagnets, so-called spinning-current anomalous Hall magnetometry, can be widely employed in other areas of thin film magnetism. Its high precision and its sensitivity to previously invisible phenomena make it a promising tool for various aspects of thin solid films. Based on this technique, a deep understanding could be generated as to what physical mechanisms drive the antiferromagnetic ordering in thin films of magnetoelectric antiferromagnets. As spinning-current anomalous Hall magnetometry is an integral probe of the magnetic properties in thin films, it offers no intrinsic scale sensitivity. In order to harness its great precision for scale related information, a statistical framework was developed, which links macroscopic measurements with microscopic properties such as the antiferromagnetic domain size.:TABLE OF CONTENTS Abbreviations 9 1 Introduction 11 1.1 Motivation 11 1.2 Objectives 12 1.3 Organization of the thesis 13 2 Background 15 2.1 History of magnetoelectric coupling 15 2.2 Long range magnetic ordering 16 2.2.1 Magnetic order parameter and field susceptibility 17 2.2.2 Magnetic proximity effect 19 2.2.3 Exchange bias 20 2.3 Phenomenology of magnetoelectric coupling 21 2.3.1 The linear magnetoelectric effect 21 2.3.2 Magnetoelectric pressure on the antiferromagnetic order parameter 22 2.3.3 Switching the antiferromagnetic order parameter 23 2.4 Realized magnetoelectric thin film elements 24 2.4.1 BiFeO3/CoFe system 24 2.4.2 Cr2O3/Co/Pt system 25 3 Experimental methods 27 3.1 Development of ferromagnet free magnetoelectric elements 28 3.1.1 The substrate 29 3.1.2 The Cr2O3 bulk and top surface 31 3.1.3 The V2O3 or Pt bottom electrodes 33 3.1.4 Epitaxial relationships 34 3.1.5 The Cr2O3 bottom interface 39 3.1.6 Twinning of Cr2O3 39 3.1.7 Hall crosses and patterning processes 43 3.2 Magnetotransport measurements 44 3.2.1 Hall effects 45 3.2.2 Anomalous Hall effect 46 3.2.3 Magnetoelectric writing 47 3.2.4 All electric read out 49 3.3 The experimental setup 50 3.3.1 Temperature control 50 3.3.2 Magnetic field control 51 4 Spinning-current anomalous Hall magnetometry 53 4.1 Characteristics of the technique 53 4.1.1 Operational principle 53 4.1.2 Advantages 55 4.1.3 Magnetic hysteresis loops and field-invariant magnetization 55 4.1.4 Measurement of field-invariant magnetization 56 4.1.5 Limitations 58 4.2 Application of SCAHM to Cr2O3(0001) thin films 59 4.2.1 Criticality and distribution of the antiferromagnetic phase transition 61 4.2.2 Evaluation of the magnetic proximity effect 64 4.3 SCAHM with thin metallic antiferromagnetic IrMn films 65 4.3.1 [Pt/Co]4/IrMn exchange bias system 65 4.3.2 Isolated antiferromagnetic IrMn thin films 67 5 Magnetoelectric performance 69 5.1 Magnetoelectric field cooling 69 5.2 The gate bias voltage 71 5.3 Isothermal binary magnetoelectric writing in Cr2O3 72 6 Order parameter selection in magnetoelectric antiferromagnets 77 6.1 Uncompensated magnetic moment 77 6.2 Extrinsic causes for broken sublattice equivalence 81 6.3 The V2O3 gate electrode 83 7 Measurement of microscopic properties with an integral probe 87 7.1 Interentity magnetic exchange coupling 87 7.2 Ensemble formalism for the entity size determination 90 7.3 Estimation of the entity sizes 94 7.4 Microscopic confirmation of the ensemble model 97 8 Summary and Outlook 101 8.1 Goal-related achievements 101 8.1.1 All-electric read-out of the AF order parameter 101 8.1.2 Electric field induced writing of the AF order parameter 102 8.2 Further achievements 103 8.2.1 Foreseen impact of SCAHM on thin film magnetism 103 8.2.2 Practical optimization routes of magnetoelectric Cr2O3 systems 104 8.2.3 Theoretical work 105 8.3 Future directions 105 8.3.1 Development of Cr2O3-based magnetoelectric systems 105 8.3.2 Applications of SCAHM 106 References 107 Erklärung 113 Acknowledgements 115 Curriculum Vitae 117 Scientific publications, contributions, patents 119