Ein grundlegender Trend der modernen Mikro- und Optoelektronik ist die sinkende Größe der aktiven Elemente der Bauteile. Mit typischen Dimensionen im Bereich 1-10 nm werden Effekte des sogenannten quantenmechanischen Confinements bemerkbar, die die elektronischen und phononischen Eigenschaften der Materialien stark beeinflussen. Der aktuelle Entwicklungsstand von Nanotechnologie macht es möglich, Halbleiternanokristalle mit verschiedenen Strukturparametern wie Größe, Form und chemischer Zusammensetzung herzustellen, welche neue fundamentaleтhysikalische Eigenschaften zeigen. Gleichzeitig ist die Herausforderung, die Zusammenhänge von Struktur der Nanokristalle mit deren optischen, elektronischen und phononischen Eigenschaften zu erkunden, weiterhin relevant. Der Grund dafür besteht darin, dass klassische optische Methoden zur Untersuchung von makroskopischen Materialien und dünnen Schichten – Raman-, Infrarot- und Photolumineszenz-Spektroskopie, bei Anwendung auf Nanostrukturen nicht einzelne, sondern gleich eine Vielzahl von Nanoobjekten mit unterschiedlichen Größen, Formen, Zusammensetzungen etc. messen. Als Resultat davon sind die gemessenen Werte nicht sehr aussagekräftig, da effektiv über eine große Anzahl von Nanokristallen gemittelt wird, während der Beitrag von einzelnen Nanokristallen unter dem Detektionslimit liegen. Aus diesem Grund wurden die Methoden der plasmonverstärkten optischen Spektroskopie, inklusive oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy), Photolumineszenz (SEPL, Surface Enhanced Photoluminescence) und Infrarotabsorption (SEIRA, Surface Enhanced IR Absorption) in den letzten Jahren mit dem Ziel, das erreichbare Signal einzelner Halbleiternanostrukturen zu verbessern, stark vorangetrieben. Diese Methoden basieren auf der lokalen Verstärkung des elektromagnetischen Feldes nahe metallischer Nanostrukturen durch das Anregen lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance) mittels Licht im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Diese oberflächenverstärkten Methoden erlauben das Untersuchen des Phononenspektrum aus SERS-, SEPL- und SEIRA-Daten mit einer Sensitivität weit über der von konventionellen Methoden. Daher wurden in dieser Arbeit SERS- und SEPL-Experimente an CdSe/CdS Nanoplättchen, die auf Gold Nanoscheiben abgeschieden wurden, durchgeführt. Resonantes und nichtresonantes SERS sowie der Einfluss von Energietransfer und Purcell-Effekt in SEPL-Experimenten werden hier gezeigt. Mittels numerischer Simulation wurde die Struktur der Mikro- und Nanoantennen optimiert, um die Übereinstimmung ihrer LSPR- und der Phononenenergien der Halbleiternanokristall-Monolagen in SEIRA-Experimenten zu erreichen. Damit wurden die phononischen Eigenschaften dieser Halbleiternanokristall-Monolagen untersucht, was vorher mit konventioneller IR-Spektroskopie nicht möglich war. Ebenso wurde gezeigt, dass die Plasmonen der Nanoantennen effektiv mit darunterliegenden Materialien, z.B. SiO2, gekoppelt werden können. Die Eindringtiefe dieser Kopplung wurde durch Messung an Nanoantennen auf verschieden dicken SiO2-Lagen bestimmt und die Plasmon-Phonon-Wechselwirkung, die zur Renormalisierung von Phononen- und Plasmonenspektren führt, gefunden. Teile der Arbeit sind in J. Chem. Phys., 153, 16, 2020, Beilstein J. Nanotechnol., 9, 2646–2656, 2018, J. Phys. Chem. C, 121, 10, 5779–5786, 2017, und Beilstein J. Nanotechnol. 7, 1519–1526, 2016 veröffentlicht. Es ist zu beachten, dass die Grenze des Auflösungsvermögens für Optik auch für die oberflächenverstärkte Spektroskopie gilt. Um diese Grenze zu umgehen wurde spitzenverstärkte Ramanspektroskopie (TERS, Tip Enhanced Raman Spectroscopy) verwendet. TERS kombiniert die hohe räumliche Auflösung von AFM (Rasterkraftmikroskopie, Atomic Force Microscopy) mit den analytischen Fähigkeiten der Ramanspektroskopie. Eine Möglichkeit, das lokale elektromagnetische Feld und damit auch das gemessene TERS-Signal zu verstärken, besteht darin, plasmonische Substrate zu verwenden, wobei das zu untersuchende Objekt zwischen diesem Substrat und der Spitze des TERS-Spektrometers platziert wird, da dort die Verstärkung des elektromagnetischen Feldes am größten ist (sogenanntes gap-mode TERS). Daher haben wir in dieser Arbeit den Einfluss eines solchen plasmonischen Substrates auf die TERS-Messungen von phononischen Eigenschaften extrem dünner Lagen (Submonolage) von Nanokristallen untersucht. Vorteile verschiedener TERS-Methoden werden demonstriert: konventionelles TERS, gap-mode TERS und resonantes gap-mode TERS. TERS-Mapping wurde auf den gleichen Nanoscheiben mit CdSe-Nanokristallen durchgeführt und der Unterschied dieser Mappings für zwei verschiedene, für die Ramanspektroskopie genutzte Wellenlängen mit elektrodynamischer Modellierung erklärt. Mit gap-mode TERS war es möglich, einzelne CdSe/CdS Nanoplättchen sichtbar zu machen und ihre Phononenmoden zu erforschen. Teile dieser Arbeit sind in Nanoscale Adv., 2, 11, 5441–5449, 2020 veröffentlicht. Eine weitere neue und intensiv vorangetriebene Methode zur Nanoanalyse ist die nano-FTIR (Fourier Transformed Infrared Spectroscopy, Fouriertransformierte Infrarotspektroskopie) genannte Kombination von IR-Spektroskopie mit Rasterkraftmikrokopie. Im Gegensatz zu TERS, bei dem Licht von einer einzelnen, schmalen Laserlinie inelastisch gestreut wird, verwendet nano-FTIR eine breitbandige Infrarotquelle. Daher wird in nano-FTIR das gesuchte Nahfeld-Signal durch Demodulation des Detektorsignals extrahiert. Durch nano-FTIR-Spektroskopie wurde in dieser Arbeit der Oxidgehalt x in SiOx-Nanodrähten auf der Nanometerskala bestimmt. Weiterhin wurden Plasmon-Phonon-Wechselwirkungen einer einzelnen Nanoantenne auf Si/SiO2 Substrat ebenfalls auf der Nanometerskala untersucht. Teile dieser Arbeit sind in Appl. Surf. Sci., 152583, 2022 veröffentlicht. Zuletzt demonstriert diese Arbeit auch die Kombination von polarisiertem TERS und nano-FTIR für die Untersuchung von hexagonalen AlN-Nanoclustern. Es wird gezeigt, dass die polarisierten TERS-Experimente sensitiv sind für Oberflächenplasmonenmoden mit unterschiedlichen Symmetrien, wie sie charakteristisch für AlN-Nanocluster sind. Der Einfluss der Polarisierung auf die TERS-Mappings eines einzelnen AlN-Clusters und Nanodrahts wird experimentell gezeigt und erklärt. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die nano-FTIR-Spektren, ähnlich den TERS-Daten, eine Sensitivität für Oberflächenmoden zeigen und neue Informationen über die Winkelverteilung dieser AlN-Oberflächenphononen im Nanokristall auf der Nanometerskala liefern.:Table of Contents 1. Elementary excitations in hybrid semiconductor/metal nanostructures 10 1.1. Phonons and excitons in semiconductor nanocrystals: Raman, IR and PL spectroscopies 11 1.2. Raman scattering 15 1.3. Plasmons in metal nanoclusters 17 1.4. Photoluminescence 20 1.5. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), IR absorption (SEIRA), and Photoluminescence (SEPL) in hybrid semiconductor/metal nanostructures: Principles and enhancement mechanisms 22 1.6. Tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) and Photoluminescence (TEPL) of semiconductor nanostructures 24 1.7. From conventional Fourier transform infrared (FTIR) to nano-FTIR spectroscopy 26 1.8. Summary 27 2. Experimental Methods 28 2.1. Fabrication of metal nanostructures 28 2.1.1. Metal evaporation 28 2.1.2. Fabrication of TERS cantilevers 28 2.1.3. Photo- and Nanolithography of metal micro-and nanostructures 28 2.2. Fabrication of semiconductor nanocrystals by Langmuir-Blodgett technology and their TEM characterization 32 2.3. Fabrication and TEM characterization of CdSe/CdS nanoplatelets 35 2.4. Fabrication of SiOx lines by local anodic oxidation 36 2.5. Molecule beam epitaxy (MBE) of AlN nanoclucters on Si(111) 37 2.6. Microscopy and spectroscopy characterization methods of semiconductor and metal nanostructures at micro- and nanoscale 38 2.6.1. Micro- and nano-Raman, and Photoluminescence spectroscopies 38 2.6.2. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy 39 2.6.3. Atomic Force Microscopy (AFM) 41 2.6.4. NeaSNOM platform for Nano-FTIR spectroscopy 43 2.7. Summary 45 3. Surface- enhanced Raman, PL and IR spectroscopies of hybrid semiconductor/metal nanostructures 46 3.1. SERS and SEPL of CdSe/CdS nanoplatelets on Au nanodisks 46 3.2. IR spectroscopy of hybrid semiconductor/metal nanostructures 52 3.2.1. Plasmon modes in gold nanoantennas on Si/SiO2 52 3.2.1.1. Plasmon modes in micro- and nanoantennas of various morphologies 57 3.2.1.2. Activation of even modes of localized surface plasmon in antennas 61 3.2.2. SEIRA of optical phonons in CdS, CdSe, PbS nanocrystals on Au micro- and nanoantennas 64 3.3. Summary 67 4. Nanoscopy of hybrid semiconductor/metal nanostructures 69 4.1. TERS of CdSe NCs on different plasmonic substrates 69 4.2. Gap-mode TERS imaging of CdSe NCs for different excitation energies 76 4.3. Gap-mode TERS imaging of CdSe/CdS nanoplatelets 79 4.4. Nano-FTIR Spectroscopy of SiOx nanowires 81 4.5. Plasmon-phonon nanoscale interaction in an Au nanoantenna on a thin SiO2 layer 85 4.6. Summary 87 5. Comparative nanoscale analysis of surface optical modes in AlN nanostructures 89 5.1. TERS mapping of a single AlN hexagonal nanocluster 89 5.2. Hyperspectral Nano-FTIR imaging of a single AlN hexagonal nanocluster 91 5.3. Polarized TERS mapping and Hyperspectral Nano-FTIR imaging of a single AlN nanowire 95 5.4. Summary 98 6. Summary 99 7. Appendix 101 8. Acknowledgements 104 9. Lebenslauf 105 10. Publications 106 11. Erklärung 108 12. Bibliography 109 13. List of Figures 125

The increasing demand for nearline storage capacity in data centers calls for a continued enhancement in hard disk drive recording density far beyond one terabit per square inch. The thermal stability limit forces the drive manufacturers to develop new concepts in order to achieve this in the long term. Potential solutions are microwave-assisted magnetic recording (MAMR), heat-assisted magnetic recording (HAMR) and bit-patterned media (BPM). A simple example of BPM based on sputter-deposited Co/Pd multilayers and prepatterned substrates at hypothetical recording densities up to one terabit per square inch was studied by magnetic force microscopy (MFM). This system achieved promising results at lower densities, but an actual application for data storage, especially at one terabit per square inch and higher densities, requires elaborate optimizations. For some time now, FePt thin films have attracted much attention as prospective recording layers for high-density magnetic data storage due to their high magnetic anisotropy. The use of FePt films in HAMR is especially promising. This application has been tested successfully by Seagate and its key customers in recent years and is about to be introduced into the nearline hard disk drive market. It requires a tuning of the magnetic properties of FePt, especially of its Curie temperature. The addition of Cu proved to be effective in this regard and can also facilitate the formation of the crucial L10 structure and (001) texture during rapid thermal annealing of sputter-deposited thin films. Such films were prepared as bilayers of Cu and FePt on Si substrates, annealed for 30 s, and analyzed by X-ray diffraction (XRD) and SQUID vibrating sample magnetometry (SQUID-VSM). The influence of large Cu additions on important properties like lattice parameters, mosaicity, magnetic anisotropy and Curie temperature is discussed. The chemical long-range order was calculated from the XRD data, and a dedicated chapter of this thesis covers the most important factors to be considered in such calculations for textured thin films and other samples. The feasibility of creating patterned Fe-Cu-Pt films with perpendicular magnetic anisotropy, as needed for a combination of HAMR and BPM, by deposition through a PMMA mask, a lift-off process and subsequent annealing was investigated as well. The results indicate that the chosen approach might not lead to the required (001) texture when the nanostructures are small enough to compete with today's recording densities, so that either a continuous film might need to be etched after annealing or a seed layer might be required to induce the texture.:1. Motivation: Magnetic Data Storage 2. Experimental Techniques 3. Co/Pd Multilayers on Prepatterned Substrates 4. Fe-Pt and Fe-Cu-Pt Alloys 5. Rapid Thermal Annealing of FePt and FePt/Cu Films 6. Order Parameter Calculation 7. Summary

Manipulation of ferromagnetic (FM) spins (and spin textures) using an antiferromagnet (AFM) as an active element in exchange coupled AFM/FM heterostructures is a promising branch of spintronics. Recent ground-breaking experimental demonstrations, such as electrical manipulation of the interfacial exchange coupling and FM spins, as well as ultrafast control of the interfacial exchange-coupling torque in AFM/FM heterostructures, have paved the way towards ultrafast spintronic devices for data storage and neuromorphic computing device applications.[5,6] To achieve electrical manipulation of FM spins, AFMs offer an efficient alternative to passive heavy metal electrodes (e.g., Pt, Pd, W, and Ta) for converting charge current to pure spin current. However, AFM thin films are often integrated into complex heterostructured thin film architectures resulting in chemical, structural, and magnetic disorder. The structural and magnetic disorder in AFM/FM-based spintronic devices can lead to highly undesirable properties, namely thermal dependence of the AFM anisotropy energy barrier, fluctuations in the magnetoresistance, non-linear operation, interfacial spin memory loss, extrinsic contributions to the effective magnetic damping in the adjacent FM, decrease in the effective spin Hall angle, atypical magnetotransport phenomena and distorted interfacial spin structure. Therefore, controlling the magnetic order down to the nanoscale in exchange coupled AFM/FM-based heterostructures is of fundamental importance. However, the impact of fractional variation in the magnetic order at the nanoscale on the magnetization reversal, magnetization dynamics, interfacial spin transport, and the interfacial domain structure of AFM/FM-based heterostructures remains a critical barrier. To address the aforementioned challenges, we conduct a comprehensive experimental investigation of chemical, structural, magnetization reversal (integral and element-specific), magnetization dynamics, and magnetotransport properties, combined with high-resolution magnetic imaging of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3-based heterostructures. Initially, we study the chemical, structural, electrical, and magnetic properties of epitaxially textured MgO(001)/IrMn3(0-35 nm)/Ni3Fe(15 nm)/Al2O3(2.0 nm) heterostructures. We reveal the impact of magnetic field annealing on the interdiffusion at the IrMn3/Ni3Fe interface, electrical resistivity, and magnetic properties of the heterostructures. We further present an AFM IrMn3 film thickness dependence of the exchange bias field, coercive field, magnetization reversal, and magnetization dynamics of the exchange coupled heterostructures. These experiments reveal a strong correlation between the chemical, structural and magnetic properties of the IrMn3-based heterostructures. We find a significant decrease in the spin-mixing conductance of the chemically-disordered IrMn3/Ni3Fe interface compared to the chemically-ordered counterpart. Independent of the AFM film thickness, we unveil that thermally disordered AFM grains exist in all the samples (measured up to 35-nm-thick IrMn3 films). We develop an iterative magnetic field cooling procedure to systematically manipulate the orientation of the thermally disordered and reversible AFM moments and thus, achieve tunable magnetic, and magnetotransport properties of exchange coupled AFM-based heterostructures. Subsequently, we investigate the impact of fractional variation in the AFM order on the magnetization reversal and magnetotransport properties of the epitaxially textured ɣ-phase IrMn3/Ni3Fe, Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe, and Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/CoO heterostructures. We probe the element-specific (FM: Ni and Co, and AFM: Mn) magnetization reversal properties of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO heterostructures in various magnetic field cooled states. We present a detailed procedure for separating the spin and orbital moment contributions for magnetic elements using the XMCD sum rule. We address whether Mauri-type domain walls can develop at the (polycrystalline) exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe interfaces. We further study the impact of magnetic field cooling on the AFM Mn (near L2,3-edges) X-ray absorption spectra. Finally, we employ a combination of in-field high-resolution magnetic force microscopy, magnetooptical Kerr effect magnetometry with micro-focused beam, and micromagnetic simulations to study the magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM and AFM/FM/AFM disk structures. We examine the magnetic vortex annihilation mechanism mediated by the emergence and subsequent annihilation of the vortex-antivortex (V-AV) pairs in simple FM and exchange coupled FM/AFM as well as AFM/FM/AFM disk structures. We image the distorted magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM disks proposed by Gilbert and coworkers. We further emphasize crucial magnetic vortex properties, such as handedness, effective vortex core radius, core displacement at remanence, nucleation field, annihilation field, and exchange bias field. Our experimental inquiry offers profound insight into the interfacial exchange interaction, magnetization reversal, magnetization dynamics, and interfacial spin transport of the AFM/FM-based heterostructures. Moreover, our results pave the way towards nanoscale control of the magnetic properties in AFM-based heterostructures and point towards future opportunities in the field of AFM spintronic devices.:1. Introduction 2. Magnetic Interactions and Exchange Bias Effect 3. Materials 4. Experimental Methods 5. Structural, Electrical, and Magnetization Reversal Properties of Epitaxially Textured ɣ-IrMn3/ Ni3Fe Heterostructures 6. Magnetization Dynamics of MgO(001)/IrMn3/Ni3Fe Heterostructures in the Frequency Domain 7. Tunable Magnetic and Magnetotransport Properties of MgO(001)/Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/ CoO/Pt Heterostructures 8. Element-Specific XMCD Study of the Exchange Couple Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO Heterostructures 9. Distorted Vortex Structure and Magnetic Vortex Reversal Processes in Exchange Coupled Ni3Fe/IrMn3 Disk Structures 10. Conclusions and Outlook Addendum Acronyms Symbols Publication List Author Information Acknowledgments Statement of Authorship