Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Auftreten verschiedener magnetischer Phasen (Ferro-, Antiferro-, Paramagnetismus) im Kondo-Gitter-Modell (engl. Kondo-lattice model, KLM). Mit dem KLM wird die Wechselwirkung itineranter Elektronen mit lokalisierten magnetischen Momenten beschrieben. Zur Berechnung wichtiger Kenngrößen wird der Green-Funktions-Formalismus verwendet, der schließlich zu einer Näherungslösung führt. Es wird gezeigt, dass eine hinreichend gute Näherung, insbesondere die explizite Betrachtung von Doppelbesetzungen, notwendig ist, um die Resultate nicht zu verfälschen. Es ist damit möglich, Phasendiagramme in Abhängigkeit wichtiger Modellparameter bei verschwindender Temperatur zu berechnen. Um Ergebnisse bei endlichen Temperaturen zu erhalten, wird eine Möglichkeit zur Berechnung der freien Energie eingeführt, die das KLM wesentlich direkter beschreibt als die Standardabbildungsmethode der Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida-Wechselwirkung. Neben der Berechnung des reinen KLMs erlauben diese Methoden auch eine Beschreibung von Systemen mit gebrochener Translationssymmetrie. Konkret werden verdünnte magnetische Halbleiter und dünne magnetische Filmsysteme betrachtet. Es entstehen hier zusätzliche Effekte wie der Ladungstransfer von magnetischen zu unmagnetischen Gitterplätzen oder umgekehrt. Insgesamt zeigt sich außerdem eine qualitative Übereinstimmung mit verschiedenen experimentellen Daten. / This thesis is concerned with the existence of magnetic phases (ferro-, antiferro-, paramagnetism) in the Kondo-lattice model (KLM). The KLM describes an interaction between itinerant electrons and localized magnetic moments. For the calculation of important quantities the Green''s function formalism is used which leads to an approximative solution of the problem. It is shown that a sufficient approximation, in particular the explicit treatment of double occupations, is necessary to avoid a falsification of the results. Thereby it is possible to calculate magnetic phase diagrams in dependence of important model parameters at vanishing temperature. To get results at finite temperature a possibility for the calculation of the free energy is introduced, which describes the KLM more directly than the standard procedure of the Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida interaction. Besides the calculation of the pure KLM these methods permit a description of systems with a reduced translational symmetry. More precisely diluted magnetic semiconductors and thin magnetic films systems are treated. In these system new effects arise such as the charge transfer from magnetic to non-magnetic sites and vice versa. All in all there is also a qualitative agreement with several experimental data.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der reduzierten Translationssymmetrie auf die magnetischen Eigenschaften in dünnen Filmen und an Oberflächen auf der Basis des stark korrelierten Hubbard-Modells untersucht. Zunächst wird die Möglichkeit von spontanem Ferromagnetismus im Hubbard-Modell für translationssymmetrische Systeme diskutiert.Verschiedene Näherungsmethoden zur Lösung des Vielteilchenproblems des Hubbard-Modells werden detailliert beschrieben und mit Ergeb nissen von Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen verglichen. Die Konsistenz mit exakten Resultaten über die grobe Struktur der Ein-Teilchen-Spektraldichte im Limes starker Coulomb- Wechselwirkung zwischen den Elektronen erweist sich als essentiell wichtig für eine qualitativ korrekte Beschreibung von spontanem Ferromagnetismus. Das Temperaturverhalten in der ferromagnetischen Phase wird anhand von Magnetisierungs kurven sowie mit Hilfe des spinabhängigen Quasiteilchenspekt rums ausführlich diskutiert. Ein genaues Verständnis der Physik des Volumensystems liefert die Basis für den Übergang zu Systemen mit reduzierter Translationssymmetrie. Es wird eine Methode vorgestellt mit der sich approximative Theorien für das translationssymmetrische Hubbard-Modell auf die Behandlung von Filmsystemen verallgemeinern lassen. Die magnetischen Eigenschaften dünner Hubbard-Filme werden mit Hilfe der lagenabhängigen Magnetisierung als Funktion der Temperatur sowie der Filmdicke diskutiert. Die Abhängigkeit der Curie-Temperatur von der Filmdicke wird untersucht. Insbesondere wird auf die Frage nach der magnetischen Stabilität an der Oberfläche eingegangen. In stark korrelierten Elektronensystemen ist für endliche Temperaturen die magnetische Stabilität an der Oberfläche reduziert im Vergleich zu den inneren Lagen, obwohl auf der Basis des bekannten Stoner-Bildes für Bandmagnetismus genau der gegenteilige Trend zu erwarten wäre. Es wird gezeigt,daß sich dieses Verhalten anhand einfacher Argumente versteh en läßt. Die magnetischen Eigenschaften der Hubbard-Filme lassen sich im Detail mit Hilfe der lokalen Quasiteilchenzus tandsdichte sowie der wellenvektorabhängigen Spektraldichte analysieren. Die elektronische Struktur zeigt eine ausgeprägte Spin-, Lagen- und Temperaturabhängigkeit. In einem weiteren Teil der Arbeit wird der temperaturgetrieb ene Reorientierungsübergang der Magnetisierungsrichtung in dünnen metallischen Filmen untersucht. Dazu müssen die die Hubbard-Filme um anisotrope Beiträge der Dipol-Wechselwir kung und der Spin-Bahn-Wechsel wirkung erweitert werden. Das Wechselspiel von Dipol- und Spin-Bahn-Anisotropie führt unter gewissen Bedingungen zu einem Reorientierungsübergang als Funktion der Temperatur. Im Rahmen des hier vorgestellten Zugangs lassen sich sowohl Reorientierungsüber gänge von einer senkrechten in eine parallele Position ("Fe-artig") als auch Reorientierungsübergänge von einer parallelen in eine senkrechte Position ("Ni-artig") der Magnetisierung qualitativ korrekt beschreiben. / In this work the influence of the reduced translational symmetry on the magnetic properties of thin itinerant-electr on films and surfaces is investigated within the strongly correlated Hubbard model. Firstly, the possibility of spontaneous ferromagnetism in the Hubbard model is discussed for the case of systems with full translational symmetry. Different approximation schemes for the solution of the many -body problem of the Hubbard model are introduced and discussed in detail. It is found that it is vital for a reasonable description of spontaneous ferromagnetism to be consistent with exact results concerning the general shape of the single-electron spectral density in the limit of strong Coulomb interaction between the electrons. The temperature dependence of the ferromagnetic solutions is discussed in detail by use of the magnetization curves as well as the spin-dependent quasiparticle spectrum. For the investigation of thin films and surfaces the approximation schemes for the bulk system have to be generalized to deal with the reduced translational symmetry. The magnetic behavior of thin Hubbard films is investigated by use of the layer-dependent magnetization as a function of temperature as well as the thickness of the film. The Curie-temperature is calculated as a function of the film thickness. Further, the magnetic stability at the surface is discussed in detail. Here it is found that for strong Coulomb interaction the magnetic stability at finite temperatures is reduced at the surface compared to the inner layers. This observation clearly contradicts the well-known Stoner picture of bandmagnetism and can be explained in terms of general arguments which are based on exact results in the limit of strong Coulomb interaction. The magnetic behavior of the Hubbard films can be analyzed in detail by inspecting the local quasiparticle density of states as well as the wave vector dependent spectral density. The electronic structure is found to be strongly spin-, layer-, and temperature- dependent. The last part of this work is concerned about the temperature-driven reorientation transition in thin metallic films. For the description of the magnetic anisotropy in thin films the dipole interaction as well as the spin-orbit interaction have to be included in the model. By calculating the temperature-dependence of the magnetic anisotropy energy it is found that both types of temperature-driven reorientation transitions, from out-of-plane to in-plane ("Fe-type") and from in-plane to out-of-plane ("Ni-type") magnetization are possible within the generalized Hubbard films.

Das Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Ferromagnet-Halbleiter-Nanodraht-Strukturen in einer Kern-Hülle-Geometrie. Diese wird mittels Molekularstrahlepitaxie unter der Verwendung von GaAs und Fe3Si ausgeführt. Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, ob sich mit derartigen Strukturen Magnetisierungen senkrecht zum Substrat realisieren lassen. Eine solche Konfiguration der Magnetisierung innerhalb bestimmter Strukturen ist wünschenswert, denn sie bildet die Grundlage einiger zukunftsweisender spintronischer Bauteilkonzepte. Aufgrund der Formanisotropie dünner Schichten ist diese Konfiguration der Magnetisierung in planaren Strukturen nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen. Bildet sich hingegen in den Nanodraht-Hüllen eine Stabmagnetisierung aus, so führt dies direkt zur gewünschten senkrechten Magnetisierung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Epitaxie-Prozess vorgestellt. Abhängig von den Wachstumsparametern können Hüllen mit glatten Seitenflachen, einer hohen Kristallordnung, ebenen Grenzflachen zum GaAs-Kern und epitaktischer Ausrichtung realisiert werden. Der zweite Teil behandelt die magnetischen Eigenschaften der Nanodrahte. Ensemble-Charakterisierungen sind hierbei in diesem Fall nicht geeignet. Einzeldraht-Messungen hingegen zeigen, dass sich in den Nanodraht-Hüllen wie erhofft eine Stabmagnetisierung ausbildet. Der dritte und letzte Teil dieser Dissertation umfasst die Einführung mehrerer zukunftsweisender Bauteilkonzepte, basierend auf den speziellen magnetischen Eigenschaften der hier vorgestellten Nanodrahte. Dazu gehören dreidimensionale Speicherarchitekturen mit bislang unerreichten Speicherkapazitäten und zirkular polarisiertes Licht emittierende Leuchtdioden für einen enorm schnellen Spininformations-Transfer zur Intrachip-Kommunikation. / The subject of the present work is the synthesis of ferromagnet-semiconductor coreshell nanowires. To realize such structures molecular beam epitaxy has been employed. For the investigation the well-suited materials systems GaAs and Fe3Si are used. Within the framework of this thesis the open question whether a magnetization in the nanowires that is perpendicular to the nanowire’s substrate can be realized is of special interest. Such a configuration of the magnetization is desirable, because some spintronic device concepts rely on magnetizations perpendicular to the substrate. In general, with the exception of very limited and highly specific materials, the shape anisotropy of thin magnetic layers causes the magnetic moments to orient along an in-plane direction and therefore, perpendicular configurations of the magnetization do not occur at equilibrium conditions. In contrast, magnetic nanowires with moments pointing along the wire axis directly provide the desired out-of plane magnetization. In the first part, the epitaxial procedure to realize the core-shell nanowires is described. Nanowires with smooth side walls, smooth interface to the GaAs core, a fairly high structural ordering and an epitaxial orientation relationship are produced. In the second part, the magnetic properties of the core-shell nanowires are analyzed. It is shown that characterizations of an ensemble of wires cannot resolve magnetic properties of the shells. Investigations on single nanowires however revealed that the magnetization in the shells is indeed as desired oriented along the wires. Several innovative device concepts based on the specific magnetic properties of these core-shell nanowires are finally introduced in the third part of this work. Within these concepts three-dimensional magnetic recording devices with unsurpassed data storage capacities and circular polarized light emitting diodes for tremendously fast spin information transfer for intrachip communication can be realized.