Die polare magnetooptische Kerr-Effekt-Spektroskopie (MOKE) wird in dieser Arbeit zum ersten Mal zur Charakterisierung paramagnetischer Schichten eingesetzt. Die Schichten bestehen aus Phthalocyanin-Molekülen (H2Pc, VOPc, MnPc, CoPc und CuPc), die sich als Modellsystem zur Untersuchung des Einflusses des Molekülzentrums auf die elektronischen Zustände eignen. Die optischen Konstanten und die Dicken der Schichten werden mittels Ellipsometrie bestimmt. Mithilfe eines optischen Schichtmodells wird aus den Ellipsometrie- und MOKE-Daten die Voigt-Konstante, ein magnetooptischer Materialparameter, berechnet. Der Einfluss des Molekülzentrums auf die energetische Dispersion der Voigt-Konstante ist moderat. Vergleichsweise groß ist der Einfluss der Orientierung der Moleküle auf die Größe der Voigt-Konstante. Daher kann diese als Maß für den Aufstellwinkel des planaren CuPc herausgestellt werden. Darüber hinaus wird am Beispiel von CuPc gezeigt, dass sich die strukturelle Ordnung in molekularen Schichten mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie quantifizieren lässt. Die MOKE-Spektroskopie wird zusammmen mit MOKE-Magnetometrie auch zur Untersuchung von Eisen-Platin-Schichten mit Schichtdicken um 5 nm auf thermisch oxidiertem Silizium verwendet. Hier wird der Einfluss von eindiffundiertem Kupfer auf die magnetischen Eigenschaften Remanenz, Koerzitivität und magnetische Anisotropie der Schichten untersucht. Dabei wird neben der in Form einer Unterschicht bereitgestellten Kupfermenge die Temperatur variiert, bei der das Kupfer diffundiert. Die Magnetometrieuntersuchungen ergeben, dass Kupfer die magnetischen Eigenschaften der Eisen-Platin-Schichten verbessert, das Optimum des Kupfergehalts aber deutlich unter 20% liegt. Die optimale Mischtemperatur beträgt 600°C. Durch die Anwendung der MOKE-Spektroskopie wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals die Präsenz einer Feinstruktur der magnetooptischen Übergänge aus den 3d-Zuständen des Eisens entdeckt. Durch Vergleichsmessungen mit Schichten anderer Schichtdicke und auf anderen Substraten kann diese Feinstruktur mit mechanischen Verspannungen an der Grenzfläche zum Substrat in Verbindung gebracht werden.

In the present work, the implications of ion irradiation on the magnetostatic and dynamic properties of soft magnetic Py/Ta (Py = Permalloy: Ni80Fe20) single and multilayer films have been investigated with the main objective of finding a way to determine their saturation magnetization. Both polar magneto-optical Kerr effect (MOKE) and vector network analyzer ferromagnetic resonance (VNA-FMR) measurements have proven to be suitable methods to determine µ0MS, circumventing the problem of the unknown effective magnetic volume that causes conventional techniques such as SQUID or VSM to fail. Provided there is no perpendicular anisotropy contribution in the samples, the saturation magnetization can be determined even in the case of strong interfacial mixing due to an inherently high number of Py/Ta interfaces and/or ion irradiation with high fluences. Another integral part of this work has been to construct a VNA-FMR spectrometer capable of performing both azimuthal and polar angle-dependent measurements using a magnet strong enough to saturate samples containing iron. Starting from scratch, this comprised numerous steps such as developing a suitable coplanar waveguide design, and writing the control, evaluation, and fitting software. With both increasing ion fluence and number of Py/Ta interfaces, a decrease of saturation magnetization has been observed. In the case of the 10×Py samples, an immediate decrease of µ0MS already sets in at small ion fluences. However, for the 1×Py and 5×Py samples, the saturation magnetization remains constant up to a certain ion fluence, but then starts to rapidly decrease. Ne ion irradiation causes a mixing and broadening of the interfaces. Thus, the Py/Ta stacks undergo a transition from being polycrystalline to amorphous at a critical fluence depending on the number of interfaces. The saturation magnetization is found to vanish at a Ta concentration of about 10–15 at.% in the Py layers. The samples possess a small uniaxial anisotropy, which remains virtually unaffected by the ion fluence, but slightly reduces with an increasing number of Py/Ta interfaces. In addition to magnetostatics, the dynamic properties of the samples have been investigated as well. The Gilbert damping parameter α increases with both increasing number of Py/Ta interfaces and higher ion fluences, with the former having a stronger influence. The inhomogeneous linewidth broadening ΔB0 increases as well with increasing number of Py/Ta interfaces, but slightly decreases for higher ion fluences. / In dieser Dissertation ist der Einfluss von Ionenbestrahlung auf die magnetostatischen und dynamischen Eigenschaften von weichmagnetischen Py/Ta-Einzel- und Multilagen (Py = Permalloy: Ni80Fe20) untersucht worden, wobei das Hauptziel gewesen ist, eine Methode zur Bestimmung der Sättigungsmagnetisierung zu finden. Sowohl polare magneto-optische Kerr-Effektmessungen (MOKE) als auch ferromagnetische Resonanzmessungen mittels eines Vektornetzwerkanalysators (VNA-FMR) haben sich als geeignet erwiesen, um µ0MS zu bestimmen, wobei das Problem des unbekannten effektiven magnetischen Volumens umgangen wird, welches bei der Verwendung von Techniken wie SQUID oder VSM auftreten würde. Unter der Voraussetzung, dass die Proben keinen senkrechten magnetischen Anisotropiebeitrag besitzen, kann die Sättigungsmagnetisierung selbst im Fall starker Grenzflächendurchmischung infolge einer großen Anzahl an Py/Ta-Grenzflächen und/oder Ionenbestrahlung mit hohen Fluenzen bestimmt werden. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Konstruktion eines VNA-FMR-Spektrometers gewesen, welches vollautomatisiert ist, polare und azimutale Winkelabhängigkeiten messen kann und einen Magneten besitzt, der Proben, die Eisen beinhalten, sättigen kann. Von Grund auf beginnend umfasste dies zahlreiche Schritte wie z. B. die Entwicklung eines geeigneten koplanaren Wellenleiterdesigns sowie das Schreiben von Steuerungs-, Auswertungs- und Fitprogrammen. Mit steigender Fluenz und Zahl an Py/Ta-Grenzflächen ist eine Abnahme der Sättigungsmagnetisierung beobachtet worden. Im Fall der 10×Py-Proben findet diese bereits bei kleinen Fluenzen statt. Im Gegensatz dazu bleibt µ0MS der 1×Py- und 5×Py-Proben bis zu einer bestimmten Fluenz konstant, bevor sie sich dann umso schneller verringert. Die Bestrahlung mit Ne-Ionen verursacht eine Durchmischung und Verbreiterung der Grenzflächen. Infolgedessen erfahren die Py/Ta-Proben bei einer kritischen Fluenz, die von der Zahl der Grenzflächen abhängig ist, einen Phasenübergang von polykristallin zu amorph. Die Sättigungsmagnetisierung verschwindet ab einer Ta-Konzentration von etwa 10–15 Atom-% in den Py-Schichten. Die Proben besitzen eine kleine uniaxiale Anisotropie, die praktisch unbeeinflusst von der Fluenz ist, sich jedoch mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen leicht verringert. Neben den statischen sind auch die dynamischen magnetischen Eigenschaften der Proben untersucht worden. Der Gilbert-Dämpfungsparameter α erhöht sich sowohl mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen als auch mit höheren Fluenzen, wobei Erstere einen größeren Einfluss hat. Die inhomogene Linienverbreiterung ΔB0 nimmt ebenfalls mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen zu, verringert sich jedoch bei größeren Fluenzen leicht.

Diese Dissertation stellt die erste Anwendung des magneto-optischen Kerr Effektes (MOKE) auf ferromagnetische Metall/Organische Heterostrukturen zur Aufklärung der optischen und chemischen Eigenschaften dar. Die MOKE-Untersuchungen wurden spektroskopisch in einem Energiebereich von 1.7 eV bis 5.5 eV durchgeführt. Heterostrukturen, wie sie hier untersucht werden, sind relevant für Anwendungen in der organischen Spintronik. Die Auswertung der Experimentellen Daten wird unterstützt durch numerische Simulationen eines Schichtmodells und ergänzende Untersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften unter Zuhilfenahme von AFM, TEM, SEM, STXM und SQUID-Magnetometrie. In der aktuellen Arbeit wurde Ni als Beispiel einer ferromagnetischen Schicht oberhalb oder unterhalb des organischen Films verwendet. Die organische Schicht besteht jeweils aus den diamagnetischen Molekülen Rubren, Pentacen und Fulleren, welche nur ein vernachlässigbares MOKE-Signal aufweisen. Zum Vergleich wurden das metallfreie Phtalocyanin H2Pc, welche ein nur eine bis zwei Größenordnungen schwächeres MOKE Signal als das genutzte Ni zeigen, betrachtet. Selbst Moleküle, welche kein intrinsisches MOKE-Signal zeigen, können über die optische Interferenz Einfluss auf das MOKE Signal von Ni nehmen. Daher kann die Dicke der organischen Schicht genutzt werden, um den Verlauf des MOKE Spektrum zu kontrollieren. Dies wird für Rubren und C60 gezeigt. Beim Vergleich des MOKE-Spektrums von Rubren/Ni- und Ni/Rubren-Doppelschichten war es möglich zu zeigen, dass die Metallablagerung an der Oberfläche einen Versiegelungseffekt hat, welcher die Oxidation der organischen Unterschicht verlangsamt. AFM und TEM Messungen zeigen, dass Ni die Morphologie der unteren Rubrenschicht annimmt. Die Proben, die mit einer geringen Wachstumsrate von Rubren hergestellt wurden, weisen bei einer nominellen Schichtdicke von 15 nm klar geformte Rubren-Inseln mit großen Abständen zwischen ihnen auf. In diesen Fällen zeigte die magnetische Hysteresemessung von MOKE bei Raumtemperatur eine unterschiedliche Gestalt in Abhängigkeit von der Photonenenergie. Die Hystereseschleifen wurden durch die Präsenz zweier magnetischer Phasen interpretiert. Die MOKE-Spektren dieser beiden Phasen wurden aus dem experimentellen Spektrum separiert. Die Gestalt des gemessenen Spektrums ändert sich mit der Stärke des angelegten Feldes aufgrund der unterschiedlichen Beiträge der zwei Phasen. An den ferromagnetischen Metall/organischen Schichten wurde TEM angewendet, um die Größe der Metallpartikel zu bestimmen, sowie STXM um die Orientierung der organischen Moleküle festzustellen. Die Schichtdicke, das Massenverhältnis sowie die Wechselwirkung zwischen Metall und organischen Material beeinflussen nachweislich das MOKE Signal.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5339.pdf: 3033412 bytes, checksum: 3e684081236853aacfacccef70bd4635 (MD5) Previous issue date: 2009-10-02 / Financiadora de Estudos e Projetos / Lead titanate zirconate modified with lanthanum, or PLZT, is one the most ferroelectric compounds utilized in electronic devices, due to its versatility and low production costs in comparison with single-crystalline materials. When adequately prepared, this system presents good optical (high optical transmission) properties, in the visible and near infrared range, and can be electro-optically characterized. Recently, in the end of 90 s, it was verified its high potential as host of photoluminescent ions, as the lanthanide (rare-earth) family. The possibility to use its electro-optic properties (due to its ferroelectric characteristics) and its photoluminescent properties (achieved by the doping process) together ,enlarges the range of application of this system. In this way, the electro-optical characterization of doped PLZT ceramics becomes essential, besides the photonic characterization. In this work, the Senarmont compensator method for electro-optical characterization, or dynamic method, was instrumented, and the values of the induced (due to the quadratic electrooptic effect, Kerr) and permanent (due to the linear electro-optic effect, Pockels) birefringence were determined as a function of the temperature, wave-length and electric-field frequency, of the rare-earth (Nd2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3 e Yb2O3) doped PLZT, with La/Zr/Ti=9/65/35, ceramics. The results shown a relationship between of the electro-optic (electro-optic coefficients, or birefringence values) and the dielectric, ferroelectric and structural properties (studied in others works) of the ceramics, that were related with the site occupancy and the structural defects due to the aliovalent dopant. It also can be identified two distinct birefringence dependence as a function of the electric field, for the same electro-optic effect (Kerr, or Pockels), identified as a function of the doping process. In the case of electro-optical characterizations in function of the variable frequency, was observed an agreement with the characterization ferroelectric results made in other works in GCFerr, being evidenced the reduction of electro-optical properties with increasing frequency, where if it observed the occurrence of anomalies in the Pockels response with direct influence on the response Kerr. The characterization as a function of wavelength showed the occurrence of two types of behavior depending on the dopant ion used, being one of them the reduction of the values of birefringence with increasing wavelength (the samples pure and doped ions neodymium (Nd) and ytterbium (Yb)), with a tendency to expected behavior in the literature, however, in the second was seen irregular increase birefringence with increase wavelength (for samples doped with ions holmio ( Ho), erbium (Er) and thulium (Tm),not existing relation with to the theoretical models adopted. In relation the characterization as a function of temperature, this was carried through in a temperature interval that understood the characteristic temperatures of systems relaxores (freezing temperature (TF), the maximum dielectric permittivity (TM (e)) and Burns (TB)), except for the sample doped with neodymium ions, whose freezing temperature is below interval worked. By the curve of birefringence (Δn) as a function of temperature was possible to determine the temperature of maximum birefringence for each of the samples, correlated them with each other. Through the curve (d Δn / dt) vs. T was possible to identify a relationship between the maximum variations, positive and negative birefringence with the temperature characteristics TF and TB. / Entre os sistemas ferroelétricos, o sistema titanato zirconato de chumbo modificado com lantânio (PLZT) é um dos mais amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos, dada sua versatilidade em aplicações e relação de custo quando comparado aos materiais monocristalinos utilizados nessa mesma área. Quando preparado pelo devido método de síntese, apresenta excelentes propriedades óticas (altos valores de transmissão ótica) desde a região do visível ao infravermelho próximo, possibilitando uma adequada caracterização de suas propriedades óticas e eletro-óticas. Recentemente, a partir do final da década de 90, foi verificada sua alta potencialidade como matriz hospedeira para íons fotoluminescentes, como os da família dos lantanídeos (ou terras-raras). A possibilidade do uso conjunto das propriedades eletro-óticas (dado seu caráter ferroelétrico) e de suas propriedades luminescentes (devido à incorporação de dopantes laser-ativos) aumentou ainda mais a possibilidade de aplicação desses materiais. Desse modo, a caracterização eletro-ótica das cerâmicas de PLZT dopado torna-se indispensável, além de sua caracterização fotônica. Sendo assim, neste trabalho foi instrumentado um sistema de caracterização eletro-ótica, utilizando o método do compensador Senarmont, também conhecido como método dinâmico, para determinar os valores da birrefringência induzida (devido ao efeito eletro-ótico quadrático, Kerr) e a permanente (devido ao efeito eletro-ótico linear, Pockels) em função da temperatura, comprimento de onda e frequência do campo elétrico de prova para composições cerâmicas de PLZT na razão La/Zr/Ti=9/65/35, dopadas com os óxidos terras-raras Nd2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3 e Yb2O3, na quantidade de 1,0% em peso. Os resultados mostraram que há uma relação entre as propriedades eletro-óticas encontradas (seja na forma de valores dos coeficientes eletro-óticos, ou na variação da birrefringência) com as propriedades dielétricas, ferroelétricas e estruturais (já observadas em outros trabalhos do grupo de pesquisa no qual esta dissertação foi realizada) das cerâmicas que, por sua vez, foram relacionadas com o tipo de ocupação e de defeitos gerados devido à incorporação dos dopantes. Além disso, foi possível observar que para uma mesma composição pode ocorrer a presença dos dois tipos de efeitos eletro-óticos - Kerr e Pockels - com proporções distintas em função do tipo de dopante. Através desse método, para esse conjunto de amostras, também foi possível identificar dois tipos distintos de variações da birrefringência em função do campo elétrico para um mesmo efeito eletro-ótico (Kerr, ou Pockels), que também puderam ser associados com o tipo de ocupação dos dopantes. Em se tratando das caracterizações eletro-óticas em função da variável frequência, foi observada uma concordância com os resultados da caracterização ferroelétrica, realizada em outros trabalhos no GCFErr, sendo evidenciada a redução das propriedades eletro-óticas com o aumento da frequência, em que se observou a ocorrência de anomalias na resposta Pockels com influência direta na resposta Kerr. A caracterização como uma função do comprimento de onda mostrou a ocorrência de dois tipos de comportamentos, dependendo do íon dopante utilizado, sendo um deles a redução dos valores da birrefringência com o aumento do comprimento de onda (caso das amostras pura e dopadas com os íons neodímio (Nd) e itérbio (Yb)), havendo certa tendência ao comportamento previsto em literatura, no entanto, no segundo caso foi constatado o aumento irregular da birrefringência com o aumento do comprimento de onda (caso das amostras dopadas com os íons holmio (Ho), érbio (Er) e túlio (Tm), não havendo relação com os modelos teóricos adotados. Quanto à caracterização em função da temperatura, esta foi realizada em um range de que compreendeu as temperaturas características de sistemas relaxores (de freezing (TF(e)), máxima permissividade dielétrica (TM(e)) e Burns (TB(e))), exceto para a amostra dopada com o íon neodímio, cuja TF(e) estava abaixo do intervalo considerado. Através da curva de birrefringência (Δn) em função da temperatura foi possível determinar a temperatura de máxima birrefringência para cada uma das amostras, correlacionado-as entre si. Através da curva de (dΔn/dt) vs. T, foi possível constatar uma relação entre as máximas variações, positiva e negativa, da birrefringência com as temperaturas características TF e TB.

Ce travail étudie le rôle de la densité de trous à l’équilibre sur la dynamique des charges et de la norme de l’aimantation de (Ga,Mn)As pour des densités de manganèse et d’impuretés fixées indépendamment. Des expériences « pompe-sonde » mettent en relation les dynamiques de réflectivité et d’angle de rotation Kerr. Deux relaxations sont mises en évidence. La première traduit un échauffement variable du gaz de trous entre 1ps et 100ps. La seconde traduit une diffusion-recombinaison des charges entre 100ps et 1500ps et évolue en fonction du rapport entre extension spatiale d’états d’impuretés, piégeant les électrons photo générés, et vitesse de Fermi. Pour compléter l’approche, une étude numérique de l’état fondamental des échantillons par la théorie de la fonctionnelle de la densité relie aimantation, température et densité de trous. Elle interprète la dynamique de la norme de l’aimantation à partir d’un diagramme de phase statique correspondant aux données publiées pour (Ga,Mn)As, qui est fonction de la température et de la densité de trous. Cette dynamique se ramène à celle de la réflectivité. Ceci permet de préciser les contributions de la norme et de l’orientation de l’aimantation dans le signal dynamique de rotation Kerr. / The effects of the background hole density on the charge and magnitude of the magnetization dynamics in (Ga,Mn)As grown with independently fixed manganese and impurity densities. A pump and probe experiment monitored simultaneously the reflectivity and Kerr angle dynamics. Two relaxation steps are highlighted. First the cooling down of the charge clouds between 1ps and 100ps and second the carrier’s diffusion-recombination between 100ps and 1.500 ns. The latter depends on the ratio between the spatial extent of impurity states, which trap the photo electrons, and the Fermi velocity. To complete these experimental results, a numerical study of the ground state of the samples, using a density functional theory, relates the magnitude of the magnetization, the temperature of the carriers and the density of holes. Phase diagram are computed, and compared to already published results. We show that the magnitude of the magnetization dynamics can be fully determined from the reflectivity measurements. We conclude that it is possible to distinguish the dynamics of the magnetization magnitude and direction using the Kerr angle dynamical signal.

La présente thèse est consacrée à l’étude des peignes optiques de Kerr dans les résonateurs àmodes de galerie, au sein desquels la lumière peut être excitée par pompage externe. L’effet Kerrexistant dans ces résonateurs engendre des modes latéraux équidistants (dans le domaine spectral)de part et d’autre du mode excité, c’est à dire un peigne de fréquence. Cette thèse est diviséeen trois chapitres. Le premier est dédié à l’introduction de la génération de ces peignes et leurapplications. Le deuxième chapitre présente l’analyse de l’équation de Lugiato-Lefever, décrivantde manière analytique le système, et conduit à la construction de deux diagrammes de bifurcationpour les dispersions normale et anomale. Ils sont tracés en fonction des deux seuls paramètresexpérimentalement contrôlables une fois le résonateur fabriqué : la puissance du laser et sondécalage de fréquence. Ces diagrammes indiquent les plages de paramètres pour lesquels une,deux, ou trois solutions existent ainsi que leur stabilité. Les simulations numériques renseignentle type exact de solution associée à chaque aire (notamment les solitons brillants et sombres, lesbreathers, les peignes optiques de Kerr de premier et deuxième ordre, et un régime chaotique) ; cesdiagrammes indiquent donc les paramètres du laser à choisir afin de générer la solution souhaitée.Le troisième chapitre est dédié aux peignes de Kerr optique secondaires, lignes additionnelles dansle domaine spectral générées entre les lignes du peigne principal. Ils apparaissent en dispersionanormale, lorsque la quantité de photon pompe excède un seuil dit de second ordre, qui a étédéterminé numériquement. / This thesis is dedicated to the study of the Kerr optical frequency combs in whispering gallery moderesonators, where the light can be excited by the extern pump. Due to the Kerr effect existing in theseresonators, the quasi-equidistant lines in the spectral domain are generated around the excited mode,that is the frequency comb. This thesis is devided in three chapters. The first one is dedicated to theintroduction of the Kerr comb generation and their applications.The second one presents the analysisof the Lugiato-Lefever equation used for the analytical study of the system, leading to the constructionof two bifurcation diagrams for the normal and anomalous dispersions. They are plotted for twoparameters, which can be controlled during experiments once the resonator has been fabricated,which are the pump power of the laser and its frequency detuning. These diagrams show the areas ofthe parameters for which one, two, or three solutions exist and their stability. The additional numericalsimulations show the exact type of the solution in each area (such as the bright and dark solitons,the breathers, the primary and secondary Kerr combs and chaotical regimes), finally these diagramsshow the parameters of the laser needed to be choosen for the generation of the desired solution.The third chapter is dedicated to the secondary Kerr combs, which are the additional lines generatedbetween the lines of the primary comb. They appear in the anomalous dispersion regime, when thequantity of the pump photons crosses the second-order threshold, which has been found numerically.

Spin-polarized electron beam has not yet been produced from an unpolarized electron beam using Stern-Gerlach type spin filter, because of the Lorentz force and Heisenberg uncertainty principle. At present, electron spin detectors and filters work on the basis of spin-dependent scattering of an electron beam from crystal surfaces. Single channel efficiencies of all the spin detectors for electrons are orders of magnitudes lower than the ideal one. Specular reflection type spin-polarized low energy electron diffraction (SPLEED)-spin detectors are having higher single channel efficiencies compared to the conventional Mott detectors. Moreover, multichannel detection can be realized from specular reflection type SPLEED-spin detectors. They have higher effective efficiency than the ideal spin detector. In order to develop specular reflection type spin filter, it is important to develop a spin-polarized low energy electron diffraction system. In addition, SPLEED system allows us to study the spin-orbit and exchange scattering at crystal surfaces. The general direction of the thesis has been the development of spin-polarized low energy electron diffraction (SPLEED) system. This system has been used to investigate the spin-orbit interactions on Ir(100) surface and exchange interactions of Fe grown on Ir(100). The thesis is organized into chapters as follows. Chapter 1 introduce the reader to some of the basic concepts of polarized electrons and the evolution of spin-polarized electron sources and detectors. Sources of polarized electrons are discussed with emphasis on photocathodes such as GaAs and strained GaAs. Widely used spin detector is the Mott detector which works in the higher energy range. The working principle of the Mott detector is discussed. Commonly used spin detector in the lower energy range is the LEED detector. The concept of the LEED detector is also discussed. Working principle and recent developments of specular reflection type SPLEED spin filters are introduced. Evolution of electron spin detector is discussed towards the end of the chapter. Chapter 2 discusses about the two instruments designed and developed during the course of the thesis. The first one is a spin-polarized low energy electron diffraction system working in the reflected electron pulse counting mode in UHV. This system is capable of measuring spin asymmetries due to spin-orbit interaction and exchange interaction. This instrument is useful in understanding structure and magnetism at surfaces as well as helps to develop new spin polarimeter based on SPLEED by evaluating spin asymmetries from different surfaces. All instruments connected to SPLEED system, measurement protocol and controlling software are discussed with some details. Along with this, standard characterization tools such as X-ray diffraction and magneto-optic Kerr effect measurements are discussed. The second instrument is a novel quadratic magneto-optic Kerr effect measurement system using permanent magnets, which is simple, compact and cost-effective. We have used rotating field method to extract QMOKE component in saturation. So there is no need for precise real-time measurement of magnitude and direction of the magnetic field as in the case of vector magnet. This instrument can easily quantify QMOKE coefficients for ferrimagnetic and ferromagnetic thin films and single crystals. Chapter 3 discusses SPLEED experiments carried out on Ir(100)-(1×5)-Hex and Ir(100)-(1×2+2×1)-O surfaces. The surface structure and surface preparation techniques are discussed. The stability of the Ir(100)-(1×5)-Hex surface is evaluated by monitoring the spin asymmetry as the function of time. Within 25 hours after the surface preparation, the profile of the spin asymmetry and the reflected electron count for Ir(100)-(1×5)-Hex surface resembles that of hydrogen adsorbed Ir(100)-(1×5)-H surface. The electron energy-angle of incidence landscape of reflectivity, spin asymmetry and figure of merit are recorded for Ir(100)-(1×2+2×1)-O surface. Many wide regions with a large figure of merit are identified in the E- landscape. Chapter 4 reports SPLEED experiments carried out on Ir(100)-(1×5)-H surface. The comparison between asymmetries evaluated for the Ir(100)-(1×5)-Hex surface after 25 hours and Ir(100)-(1×5)-H surface suggests that Ir(100)-(1×5)-Hex surface is transforming to Ir(100)-(1×5)-H surface, in 25 hours. This can be due to the adsorption of more than four Langmuir of residual hydrogen during this time. The energy-angle landscape of reflectivity, asymmetry and figure of merit are recorded for Ir(100)-(1×5)-H surface in an energy range 20 eV to 100 eV and angle range 10 to 60 . Many regions are identified as the working point for specular reflection type spin filter based on SPLEED. The surface structure and surface preparation techniques are discussed. The stability of the surface is also evaluated. Chapter 5 investigates the growth and magnetic properties of Fe(100) film on Ir(100)-(1×1), Ir(100)-(1×5)-Hex and Ir(100)-(1×2+2×1)-O surfaces. LEED, MEED, LMOKE and QMOKE studies were presented. The growth is found to be layer-by-layer at least up to 20 monolayers (ML) at room temperature. At higher deposition temperature, the MEED oscillations disappear around 3-5 ML. Magnetic anisotropy of the Fe(100) film grown on Ir(100)-(1×2+2×1)-O surfaces is evaluated using LMOKE measurement using Kerr microscope. Simultaneous in-situ LMOKE and MEED measurements were carried out during the deposition. Ferromagnetic ordering with an in-plane easy axis starts above 4.5 ML at room temperature. The Kerr rotation normalized by thickness is evaluated in the pseudomorphic regime and strain relaxed regime. The probing depth of the MOKE is found to be around 14 nm in Fe(100)/Ir(100). An antisymmetric component is observed in the re-magnetization loop measured using MOKE. This antisymmetric loop arises due to the quadratic magneto-optic coupling which is separated by symmetrization and antisymmetrization procedure. The observed quadratic magneto-optic coupling suggests that the analysis based on the assumption that the magneto-optic coupling is linear in magnetization has to be modified. In order to quantify the quadratic magneto-optic coupling parameters, a QMOKE measurement system is developed and measurements were carried out. Chapter 6 discusses SPLEED experiments carried out on various thicknesses of Fe(100) film. Fe(100) films grown on Ir(100) substrate with the thickness less than or equal to 4 ML is not ferromagnetic with in-plane easy axis at room temperature. The non-zero exchange asymmetry observed for 5 ML and above indicates the presence of ferromagnetic ordering. A difference in the profile of exchange asymmetry is observed between pseudomorphic and strain relaxed regime. Large spin-orbit asymmetry is observed for 1 ML and 2 ML Fe(100) which is unexpected from a low atomic number (Z) material. The reason for large spin-orbit asymmetry is still unknown. The energy-angle landscape of reflectivity, exchange asymmetry, spin-orbit asymmetry and figure of merit were evaluated for 21 ML of Fe(100). Many working points were identified for different types multichannel spin filter based on exchange interaction Finally, the various results are summarized and a broad outlook is given.

Die polare magnetooptische Kerr-Effekt-Spektroskopie (MOKE) wird in dieser Arbeit zum ersten Mal zur Charakterisierung paramagnetischer Schichten eingesetzt. Die Schichten bestehen aus Phthalocyanin-Molekülen (H2Pc, VOPc, MnPc, CoPc und CuPc), die sich als Modellsystem zur Untersuchung des Einflusses des Molekülzentrums auf die elektronischen Zustände eignen. Die optischen Konstanten und die Dicken der Schichten werden mittels Ellipsometrie bestimmt. Mithilfe eines optischen Schichtmodells wird aus den Ellipsometrie- und MOKE-Daten die Voigt-Konstante, ein magnetooptischer Materialparameter, berechnet. Der Einfluss des Molekülzentrums auf die energetische Dispersion der Voigt-Konstante ist moderat. Vergleichsweise groß ist der Einfluss der Orientierung der Moleküle auf die Größe der Voigt-Konstante. Daher kann diese als Maß für den Aufstellwinkel des planaren CuPc herausgestellt werden. Darüber hinaus wird am Beispiel von CuPc gezeigt, dass sich die strukturelle Ordnung in molekularen Schichten mittels Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie quantifizieren lässt. Die MOKE-Spektroskopie wird zusammmen mit MOKE-Magnetometrie auch zur Untersuchung von Eisen-Platin-Schichten mit Schichtdicken um 5 nm auf thermisch oxidiertem Silizium verwendet. Hier wird der Einfluss von eindiffundiertem Kupfer auf die magnetischen Eigenschaften Remanenz, Koerzitivität und magnetische Anisotropie der Schichten untersucht. Dabei wird neben der in Form einer Unterschicht bereitgestellten Kupfermenge die Temperatur variiert, bei der das Kupfer diffundiert. Die Magnetometrieuntersuchungen ergeben, dass Kupfer die magnetischen Eigenschaften der Eisen-Platin-Schichten verbessert, das Optimum des Kupfergehalts aber deutlich unter 20% liegt. Die optimale Mischtemperatur beträgt 600°C. Durch die Anwendung der MOKE-Spektroskopie wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals die Präsenz einer Feinstruktur der magnetooptischen Übergänge aus den 3d-Zuständen des Eisens entdeckt. Durch Vergleichsmessungen mit Schichten anderer Schichtdicke und auf anderen Substraten kann diese Feinstruktur mit mechanischen Verspannungen an der Grenzfläche zum Substrat in Verbindung gebracht werden.

Diese Dissertation stellt die erste Anwendung des magneto-optischen Kerr Effektes (MOKE) auf ferromagnetische Metall/Organische Heterostrukturen zur Aufklärung der optischen und chemischen Eigenschaften dar. Die MOKE-Untersuchungen wurden spektroskopisch in einem Energiebereich von 1.7 eV bis 5.5 eV durchgeführt. Heterostrukturen, wie sie hier untersucht werden, sind relevant für Anwendungen in der organischen Spintronik. Die Auswertung der Experimentellen Daten wird unterstützt durch numerische Simulationen eines Schichtmodells und ergänzende Untersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften unter Zuhilfenahme von AFM, TEM, SEM, STXM und SQUID-Magnetometrie. In der aktuellen Arbeit wurde Ni als Beispiel einer ferromagnetischen Schicht oberhalb oder unterhalb des organischen Films verwendet. Die organische Schicht besteht jeweils aus den diamagnetischen Molekülen Rubren, Pentacen und Fulleren, welche nur ein vernachlässigbares MOKE-Signal aufweisen. Zum Vergleich wurden das metallfreie Phtalocyanin H2Pc, welche ein nur eine bis zwei Größenordnungen schwächeres MOKE Signal als das genutzte Ni zeigen, betrachtet. Selbst Moleküle, welche kein intrinsisches MOKE-Signal zeigen, können über die optische Interferenz Einfluss auf das MOKE Signal von Ni nehmen. Daher kann die Dicke der organischen Schicht genutzt werden, um den Verlauf des MOKE Spektrum zu kontrollieren. Dies wird für Rubren und C60 gezeigt. Beim Vergleich des MOKE-Spektrums von Rubren/Ni- und Ni/Rubren-Doppelschichten war es möglich zu zeigen, dass die Metallablagerung an der Oberfläche einen Versiegelungseffekt hat, welcher die Oxidation der organischen Unterschicht verlangsamt. AFM und TEM Messungen zeigen, dass Ni die Morphologie der unteren Rubrenschicht annimmt. Die Proben, die mit einer geringen Wachstumsrate von Rubren hergestellt wurden, weisen bei einer nominellen Schichtdicke von 15 nm klar geformte Rubren-Inseln mit großen Abständen zwischen ihnen auf. In diesen Fällen zeigte die magnetische Hysteresemessung von MOKE bei Raumtemperatur eine unterschiedliche Gestalt in Abhängigkeit von der Photonenenergie. Die Hystereseschleifen wurden durch die Präsenz zweier magnetischer Phasen interpretiert. Die MOKE-Spektren dieser beiden Phasen wurden aus dem experimentellen Spektrum separiert. Die Gestalt des gemessenen Spektrums ändert sich mit der Stärke des angelegten Feldes aufgrund der unterschiedlichen Beiträge der zwei Phasen. An den ferromagnetischen Metall/organischen Schichten wurde TEM angewendet, um die Größe der Metallpartikel zu bestimmen, sowie STXM um die Orientierung der organischen Moleküle festzustellen. Die Schichtdicke, das Massenverhältnis sowie die Wechselwirkung zwischen Metall und organischen Material beeinflussen nachweislich das MOKE Signal.

In the present work, the implications of ion irradiation on the magnetostatic and dynamic properties of soft magnetic Py/Ta (Py = Permalloy: Ni80Fe20) single and multilayer films have been investigated with the main objective of finding a way to determine their saturation magnetization. Both polar magneto-optical Kerr effect (MOKE) and vector network analyzer ferromagnetic resonance (VNA-FMR) measurements have proven to be suitable methods to determine µ0MS, circumventing the problem of the unknown effective magnetic volume that causes conventional techniques such as SQUID or VSM to fail. Provided there is no perpendicular anisotropy contribution in the samples, the saturation magnetization can be determined even in the case of strong interfacial mixing due to an inherently high number of Py/Ta interfaces and/or ion irradiation with high fluences. Another integral part of this work has been to construct a VNA-FMR spectrometer capable of performing both azimuthal and polar angle-dependent measurements using a magnet strong enough to saturate samples containing iron. Starting from scratch, this comprised numerous steps such as developing a suitable coplanar waveguide design, and writing the control, evaluation, and fitting software. With both increasing ion fluence and number of Py/Ta interfaces, a decrease of saturation magnetization has been observed. In the case of the 10×Py samples, an immediate decrease of µ0MS already sets in at small ion fluences. However, for the 1×Py and 5×Py samples, the saturation magnetization remains constant up to a certain ion fluence, but then starts to rapidly decrease. Ne ion irradiation causes a mixing and broadening of the interfaces. Thus, the Py/Ta stacks undergo a transition from being polycrystalline to amorphous at a critical fluence depending on the number of interfaces. The saturation magnetization is found to vanish at a Ta concentration of about 10–15 at.% in the Py layers. The samples possess a small uniaxial anisotropy, which remains virtually unaffected by the ion fluence, but slightly reduces with an increasing number of Py/Ta interfaces. In addition to magnetostatics, the dynamic properties of the samples have been investigated as well. The Gilbert damping parameter α increases with both increasing number of Py/Ta interfaces and higher ion fluences, with the former having a stronger influence. The inhomogeneous linewidth broadening ΔB0 increases as well with increasing number of Py/Ta interfaces, but slightly decreases for higher ion fluences. / In dieser Dissertation ist der Einfluss von Ionenbestrahlung auf die magnetostatischen und dynamischen Eigenschaften von weichmagnetischen Py/Ta-Einzel- und Multilagen (Py = Permalloy: Ni80Fe20) untersucht worden, wobei das Hauptziel gewesen ist, eine Methode zur Bestimmung der Sättigungsmagnetisierung zu finden. Sowohl polare magneto-optische Kerr-Effektmessungen (MOKE) als auch ferromagnetische Resonanzmessungen mittels eines Vektornetzwerkanalysators (VNA-FMR) haben sich als geeignet erwiesen, um µ0MS zu bestimmen, wobei das Problem des unbekannten effektiven magnetischen Volumens umgangen wird, welches bei der Verwendung von Techniken wie SQUID oder VSM auftreten würde. Unter der Voraussetzung, dass die Proben keinen senkrechten magnetischen Anisotropiebeitrag besitzen, kann die Sättigungsmagnetisierung selbst im Fall starker Grenzflächendurchmischung infolge einer großen Anzahl an Py/Ta-Grenzflächen und/oder Ionenbestrahlung mit hohen Fluenzen bestimmt werden. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Konstruktion eines VNA-FMR-Spektrometers gewesen, welches vollautomatisiert ist, polare und azimutale Winkelabhängigkeiten messen kann und einen Magneten besitzt, der Proben, die Eisen beinhalten, sättigen kann. Von Grund auf beginnend umfasste dies zahlreiche Schritte wie z. B. die Entwicklung eines geeigneten koplanaren Wellenleiterdesigns sowie das Schreiben von Steuerungs-, Auswertungs- und Fitprogrammen. Mit steigender Fluenz und Zahl an Py/Ta-Grenzflächen ist eine Abnahme der Sättigungsmagnetisierung beobachtet worden. Im Fall der 10×Py-Proben findet diese bereits bei kleinen Fluenzen statt. Im Gegensatz dazu bleibt µ0MS der 1×Py- und 5×Py-Proben bis zu einer bestimmten Fluenz konstant, bevor sie sich dann umso schneller verringert. Die Bestrahlung mit Ne-Ionen verursacht eine Durchmischung und Verbreiterung der Grenzflächen. Infolgedessen erfahren die Py/Ta-Proben bei einer kritischen Fluenz, die von der Zahl der Grenzflächen abhängig ist, einen Phasenübergang von polykristallin zu amorph. Die Sättigungsmagnetisierung verschwindet ab einer Ta-Konzentration von etwa 10–15 Atom-% in den Py-Schichten. Die Proben besitzen eine kleine uniaxiale Anisotropie, die praktisch unbeeinflusst von der Fluenz ist, sich jedoch mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen leicht verringert. Neben den statischen sind auch die dynamischen magnetischen Eigenschaften der Proben untersucht worden. Der Gilbert-Dämpfungsparameter α erhöht sich sowohl mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen als auch mit höheren Fluenzen, wobei Erstere einen größeren Einfluss hat. Die inhomogene Linienverbreiterung ΔB0 nimmt ebenfalls mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen zu, verringert sich jedoch bei größeren Fluenzen leicht.