Magnetismus ist ein Phänomen, das eine wichtige Rolle in einer Vielfalt technischer Anwendungen spielt. Ohne den Einsatz magnetischer Effekte und Materialen wäre der heutzutage erreichte technische Fortschritt unmöglich, da viele grundlegende Techniken wie Stromerzeugung, elektrischer Antrieb, Informationsübertragung und viele andere auf magnetische bzw. elektromagnetische Phänomene zurückzuführen sind. Dabei haben die ferromagnetischen Materialen stets zur Effizienz von elektrischen und elektronischen Anwendungen beigetragen, weswegen an diesen Materialen auch entsprechend viel geforscht worden ist. Moderne Technologien, insb. Massenspeicher basieren oft auf Ferromagneten und erfordern daher die weitere Erforschung und Anpassung ihrer Eigenschaften. Für die Funktionalität von Hochgeschwindigkeitsgeräten spielt das dynamische Verhalten dünner magnetischer Schichten eine kritische Rolle. In dieser Arbeit wird die Magnetisierungsdynamik dünner Schichtelemente mittels zeitaufgelöster Weitfeld- Kerrmikroskopie untersucht. Dies ist ein aktuelles Thema, an dem in den letzten Jahren sehr intensiv gearbeitet wird. Allerdings sind viele für die Anwendungen sehr wichtige Details des magnetischen Schaltens wegen ihre Vielfältigkeit und Komplexität doch nicht vollständig untersucht und verstanden. In dieser Arbeit werden überwiegend experimentelle Ergebnisse vorgestellt, die einen zusätzlichen Beitrag zum aktuellen Wissenstand leisten. In einem ferromagnetischen Körper bilden sich Bereiche mit spontaner Magnetisierung, die man als Domänen bezeichnet. Die spontane Magnetisierung entsteht aufgrund der Spin-Spin Wechselwirkung, und die Domänen bilden sich aufgrund der Energieminimierung des magnetisierten Körpers. Langsame Magnetisierungsprozesse werden im Wesentlichen getragen von Domänenumordnungen und Domänengrenzenverschiebungen. Solche Prozesse bezeichnet man als quasistatisch, da sich der Körper durch deren Langsamkeit immer im Gleichgewicht oder zumindest sehr nahe daran befindet. Mit zunehmender Anregungsgeschwindigkeit gilt diese Annahme nicht mehr, da die Präzessionsbewegung der magnetischen Momente das Schaltverhalten in diesem Fall definiert. Die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik setzt die Möglichkeit voraus, nicht-unterbrochene Prozesse beobachten zu können. Dieses Ziel kann mittels stroboskopischer Abbildung erreicht werden. Dabei wird derselbe Prozess kontinuierlich wiederholt (vorausgesetzt, dass die Prozesse sich reproduzierbar wiederholen lassen), und zu definierten Zeitpunkten werden die entsprechenden Kerraufnahmen gemacht. Dafür wird eine CCD Kamera mit einem Photoverstärker benutzt, welcher als optischer Schalter fungiert. Die Zeitauflösung dieses Systems und damit auch das Vermögen, die Hochfrequenzvorgänge abzubilden, beträgt 250 ps. Die Eigenschaften des magnetischen Umschaltens hängen stark von der Elementgeometrie ab. Diese Unterschiede sind auf unterschiedliche Entmagnetisierungsfaktoren, und damit auf Unterschiede in den effektiven Feldern zurückzuführen. Solche Unterschiede werden auf zwei Weisen initiiert: ein quadratisches Element wird entlang unterschiedlicher Richtungen (entlang der Seite und der Diagonalen) angeregt; die Form des Elementes wird zwischen Quadrat und Rechteck mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen variiert. Die beobachteten Schaltvorgänge werden miteinander verglichen und die Ergebnisse dargestellt. Dabei werden auch die dynamischen Vorgänge immer mit den quasistatischen verglichen. Aus dem Vergleich folgt, dass ein steigendes Seitenverhältnis zur geringeren Schaltgeschwindigkeit führt, und dass die dabei entstehenden Domänen zunehmend komplexer werden. Dabei gibt es wesentliche Unterschiede zwischen den dynamischen und quasistatischen Domänen, vor allem in der Domänenwandstruktur. Das Schalten an sich unterscheidet sich auch sehr stark. Quasistatisches Schalten erfolgt überwiegend durch Domänenwandbewegung, während das dynamische Schalten durch inkohärente Rotation der Magnetisierung im ganzen Element erfolgt. Das Hochfrequenzverhalten am Prototypen eines Mikroinduktors wird untersucht. Der Induktor besteht aus vielen magnetischen Elementen, die eine induzierte uniaxiale Anisotropie besitzen. Diese ist bei der Hälfte der Elemente entlang des Magnetfeldes, und bei der anderen Hälfte senkrecht zum Magnetfeld der Spule ausgerichtet. Das dynamische Verhalten der beiden Elementtypen unterscheidet sich stark, vor allem die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit. Diese Unterschiede können zu einer Phasenverschiebung im elektrischen Signal führen, was die Effizienz des Induktors senkt. Durch die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik in Wechselfeldern unterschiedlicher Frequenz ist auch festgestellt worden, dass bis 100 MHz die Magnetisierungsvorgänge überwiegend durch Domänenwandbewegung erfolgen, während ab 200 MHz- Rotationsprozesse stattfinden.

Magnetic shape memory (MSM) materials are a new class of smart materials which exhibit shape deformation under the influence of an external magnetic field. They are interesting for various types of applications, including actuators, displacement/force sensors, and motion dampers. Due to the huge strain and the magnetic field-driven nature, MSM materials show definite advantages over other smart materials, e.g. conventional thermal shape memory materials, in terms of displacement and speed. The principle behind the magnetic field induced strain (MFIS) is the strong coupling between magnetization and lattice structure. The investigation of both static and dynamic magnetic domain structures in MSM materials is a key step in optimizing the properties for future possible devices. In this work, optical polarization microscopy is applied to investigate the twin boundary and magnetic domain wall motion in bulk NiMnGa single crystals. Surface magnetic domain patterns on adjacent sides of bulk crystals are revealed for the first time providing comprehensive information about the domain arrangement inside the bulk and at the twin boundary. The tilting of the easy axis with respect to the sample surface determines the preferable domain size and leads to spike domain formation on the surface. Out-of-plane surface domains extend into the bulk within a single variant, while a twin boundary mirrors the domain pattern from adjacent variants. Furthermore, magnetic domain evolution during twin boundary motion is observed. The partial absence of domain wall motion throughout the process contradicts currently proposed models. The magnetic state alternates along a moving twin boundary. With the abrupt nucleation of the second variant this leads to the formation of sections of magnetically highly charged head-on domain structures at the twin boundaries. On the other hand, a dynamic actuation experimental setup, which is capable to provide high magnetic fields in a wide range of frequency, was developed in the course of this study. The observation of reversible twin boundary motion up to 600 Hz exhibits the dependence of strain, hysteresis, and twin boundary velocity on the actuation speed. MFIS increases with frequency, while the onset field is similar in all observed cases. Twin boundary mobility enhancement by fast twin boundary motion is proposed to explain the increase in MFIS. The twin boundary velocity is shown to be inversely proportional to the twin boundary density. No limit of twin boundary velocity is observed in the investigated frequency range.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ionenimplantation auf die Materialeigenschaften verschiedener magnetischer Probensysteme. Durch die Implantation mit Ionen kann man auf vielfältige Art und Weise die Eigenschaften von magnetischen Materialien modifizieren und maßschneidern, so zum Beispiel die Sättigungsmagnetisierung und die magnetische Anisotropie. Aus der Untersuchung von drei verschiedenen Probensystemen ergibt sich die Dreigliederung des Ergebnisteils. Im ersten Teil der Arbeit, dem Hauptteil, wird die Strukturierung von Permalloyschichten durch Ionen und der Einfluss auf den anisotropen Magnetowiderstand (AMR) untersucht. Der AMR ist direkt abhängig von der Ausrichtung der Magnetisierung eines Materials zum angelegten Strom. Um die Magnetisierungsrichtung sichtbar zu machen wurde ein Kerrmikroskop benutzt. Dieses wurde im Rahmen dieser Arbeit technisch erweitert um gleichzeitig auch den AMR messen zu können. Damit war es erstmalig möglich den AMR und die magnetischen Domänenkonfigurationen direkt zu vergleichen. Durch eine weitere Modifikation des Kerrmikrosops ist es möglich quantitative Bilder eines kompletten Ummagnetisierungsvorganges zu messen. Es konnte gezeigt werden, dass der berechnete AMR des Bildausschnittes mit dem gemessenen übereinstimmt. Der AMR ist abhängig von der Streifenbreite, der Streifenausrichtung zum Strom, der Stärke der induzierten Anisotropie, dem angelegten Feldwinkel und der Sättigungsmagnetisierung. Im Fall von schmalen Streifen führt das zweistufige Schalten zu einem AMR-Maximum, wenn die Streifen mit der niedrigeren Sättigungsmagnetisierung geschaltet haben. Das Zusammensetzen der Streifenstruktur ermöglicht es den AMR gezielt zu manipulieren. Bei geringer induzierter Anisotropie sind verschiedene komplexe Domänen messbar, welche sich in einem asymmetrischen AMR widerspiegeln. So kann der AMR auf vielfältige Weise manipuliert und deren Abhängigkeit von den magnetischen Domänen mittels Kerrmikroskopie gemessen werden. Im zweiten Teil wurde die Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation in einem Speichermedium untersucht. Hierbei handelt es sich um eine Kooperation mit Peter Greene (University of California Davis) und Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). Nachdem die Ionenverteilung in dem Material mit TRIDYN simuliert wurde, erfolgte eine Implantation in die oberen Schichten der Co/Pd Multilagen. Dieses hat eine Veränderung der magnetischen Anisotropie zur Folge. Die Ummagnetisierungskurven sind mit dem polaren magnetooptische Kerreffekt (polaren MOKE) und Vibrationsmagnetometrie vermessen worden. Außerdem fand eine Strukturanalyse mit Röntgenreflektrometrie und Röntgendiffraktometrie statt. Die abschließende Beurteilung des Schaltverhaltens erfolgte durch die Auswertung der Ummagnetisierungskurven erster Ordnung. Es ist uns gelungen die oberen Schichten durch die Implantation weichmagnetisch zu machen. Die darunterliegenden Schichten sind noch hartmagnetisch und das Material zeigt textit{exchange spring} Verhalten. Es erfüllt somit die Voraussetzungen, um als Speichermedium genutzt zu werden. Damit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass man mit Ionenimplantation einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium erzeugen kann und dadurch das gewünschte Schaltverhalten erzeugt. Im dritten Teil, in einem Projekt mit Björn Obry (TU Kaiserslautern), geht es um die Erzeugung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls durch die Ionenimplantation in Permalloy. Zur Herstellung des Spinwellenleiters und des magnonischen Kristalls macht man sich die lokale Reduzierung der Sättigungsmagnetisierung durch die Implantation zu nutze. Es wurden Messungen mit dem polaren MOKE gemacht. Die Spinwellencharakterisierung ist mit dem Brillouin-Lichtstreumikroskop durchgeführt worden. Es war möglich die Ionenimplantation zur Herstellung eines magnonischen Kristalls und eines Spinwellenleiters zu nutzen. Das Verändern von magnetischen Materialeigenschaften durch Implantation eröffnet somit verschiedene Möglichkeiten. Mit Ionenimplantation kann man Permalloy so strukturieren, dass man den AMR gezielt manipulieren kann. Außerdem wurde Ionenimplantation genutzt um einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium zu erzeugen. Durch diesen Anisotropiegradient konnte das Schaltverhalten gezielt modifiziert werden. Mit Hilfe von Ionenimplantation kann man auch ein magnonisches Kristall und einen Spinwellenleiter herstellen. / This thesis deals with magnetic modification of ferromagnetic films by ion implantation, such as induced changes of the magnetic anisotropy and changes in the saturation magnetization. Three different sample structures were investigated. Therefore the result section is divided into three parts. The influence of ion induced magnetic patterning on the anisotropic magnetoresistance (AMR) is investigated in the first part. The AMR directly depends on the angle between the applied current and the magnetization of the material. To investigate this relationship a Kerr microscopy,for observing the magnetic domains was combined with resistance measurements. The measurements were performed on stripe patterned permalloy samples. This is the main part of the thesis. The creation of an anisotropy gradient in a storage media by ion implantation is the topic of the second part. It was a collaborative project with Peter Greene (University of California Davis) and Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). The goal was to create a magnetic anisotropy gradient by introducing ions in the upper layer of the Co/Pd- multilayer. After TRIDYN simulations of the ion distribution, the implantation was performed and the magnetization curves were measured with polar magneto-optical Kerr effect and vibrating sample magnetometry. In addition to this, structural characterization was carried out by x-ray reflection and x-ray diffraction measurements. For the final determination of the switching behavior first order reversal curves were analyzed. The aim of the third part was to create a spin wave guide and a magnonic crystal by local ion implantation. In this project with Björn Obry (TU Kaiserslautern) the characteristic of the ions to reduce the saturation magnetization in permalloy was used and the effect on the spin wave propagation was analyzed. Polar MOKE was performed to determine the saturation magnetization. Brillouin light scattering microscopy was used to analyze the spin wave behavior inside the material.

Spintronics is a new branch of electronics, which uses not only the charge of electron but also its spin for transfer and processing of information. For re- al applications it is necessary to understand, how the magnetic state of matter changes not only in time but also in space. This diploma thesis is therefore de- voted to the imaging of magnetic domains in ferromagnetic semiconductors by purely optical methods, which are based on the usage of the magneto-optical ef- fects. In first part of the thesis we concentrated on the optimalization of existing polarizing microscope, whose function is based solely on the polar Kerr effect. After the optimalization we try to use this setup to observe magnetic domains in ferromagnetic semiconductor GaMnAs by the means of the magnetic linear dichroism. 1

In the current study, we give a report when oxalic acid was used as an electrolyte to synthesize an AAO template with hexagonal pore array. Optimum parameters were observed as 0.4 M of oxalic acid, anodizing voltage of 45 V, temperature of approximately 8 °C and the period of 120 minutes. Atomic force microscope (AFM) and High resolution scanning electron microscope (HRSEM) showed that template has an average pore diameter of 103 nm. Co and MnOx (x = 1,2) nanostructures were selectively deposited in the pores of the template using a novel atomic layer deposition (ALD) technique. The diameter sizes and the array of the nanostructures and the template were corresponding. Energy dispersive xrays (EDX) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the presence of Co and MnOx (x =1,2) on the samples while x-ray diffraction (XRD) provided an indication of their orientations. Magnetic force microscopy as main characterization tool showed the existence of multi-domains on both Co and MnOx (x =1,2) nanostructures.

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Nutzbare Energie ist ein knappes Gut. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird die effiziente und nachhaltige Nutzung der verfügbaren Energie angestrebt. Wird Energie in elektrischer Form bereitgestellt oder transportiert, kommt der Minimierung der Verluste an elektrotechnischen Anlagen oder Bauelementen eine grundlegende Bedeutung zu. So werden beispielsweise Transformatorenkomponenten und Verstärkerelemente aus weichmagnetischen Werkstoffen mit geringem Ummagnetisierungsverlust gefertigt. In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der magnetischen Mikrostruktur und dem magnetischen Ummagnetisierungsverlust nanokristalliner Ringbandkerne untersucht. Der Einfluss von Stärke und Lage einer induzierten Anisotropie wird anhand induktiver Hysteresemessung und simultaner Beobachtung magnetischer Domänen mit stroboskopischer Kerrmikroskopie charakterisiert.

The magnetization processes of antiferromagnetically (AF) coupled Co/Pt multilayers on extended substrates and of Co/Pd multilayers deposited on arrays of 58 nm spheres are investigated via magnetic force microscopy at room temperature by imaging the domain configuration in magnetic fields. Adding AF exchange to such perpendicular anisotropy systems changes the typical energy balance that controls magnetic band domain formation, thus resulting in two competing reversal modes for the system. In the ferromagnetic (FM) dominated regime the magnetization forms FM band domains, vertically correlated. By applying a magnetic field, a transition from band to bubble domains is observed. In the AF-exchange dominated regime, by applying a field or varying the temperature it is possible to alter the magnetic correlation from horizontal (AF state) to vertical (FM state) via the formation of specific multidomain states, called metamagnetic domains. A theoretical model, developed for complex multilayers is applied to the experimentally studied multilayer architecture, showing a good agreement. Magnetic nanoparticles have attracted considerable interest in recent years due to possible applications in high density data storage technology. Requirements are a well defined and localized magnetic switching behavior and a large thermal stability in zero fields. The thermal stability of [Co/Pt]N multilayers with different numbers of repeats (N), deposited on nanospheres is studied by magnetic viscosity measurements. The magnetic activation volume, representing the effect of thermal activation on the switching process, is estimated. It is found that the activation volume is much smaller than the volume of the nanosphere and almost independent of the number of bilayers supporting an inhomogeneous magnetization reversal process.

In the current study, we give a report when oxalic acid was used as an electrolyte to synthesize an AAO template with hexagonal pore array. Optimum parameters were observed as 0.4 M of oxalic acid, anodizing voltage of 45 V, temperature of approximately 8 °C and the period of 120 minutes. Atomic force microscope (AFM) and High resolution scanning electron microscope (HRSEM) showed that template has an average pore diameter of 103 nm. Co and MnOx (x = 1,2) nanostructures were selectively deposited in the pores of the template using a novel atomic layer deposition (ALD) technique. The diameter sizes and the array of the nanostructures and the template were corresponding. Energy dispersive xrays (EDX) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the presence of Co and MnOx (x =1,2) on the samples while x-ray diffraction (XRD) provided an indication of their orientations. Magnetic force microscopy as main characterization tool showed the existence of multi-domains on both Co and MnOx (x =1,2) nanostructures.

>Magister Scientiae - MSc / In the current study, we give a report when oxalic acid was used as an electrolyte to synthesize an AAO template with hexagonal pore array. Optimum parameters were observed as 0.4 M of oxalic acid, anodizing voltage of 45 V, temperature of approximately 8 °C and the period of 120 minutes. Atomic force microscope (AFM) and High resolution scanning electron microscope (HRSEM) showed that template has an average pore diameter of 103 nm. Co and MnOx (x = 1,2) nanostructures were selectively deposited in the pores of the template using a novel atomic layer deposition (ALD) technique. The diameter sizes and the array of the nanostructures and the template were corresponding. Energy dispersive xrays (EDX) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the presence of Co and MnOx (x =1,2) on the samples while x-ray diffraction (XRD) provided an indication of their orientations. Magnetic force microscopy as main characterization tool showed the existence of multi-domains on both Co and MnOx (x =1,2) nanostructures. / South Africa