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[ES] La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de nuevas membranas de separación de gases, así como su empleo in-situ en reactores catalíticos de membrana para la intensificación de procesos. Para este propósito, se han sintetizado varios materiales, como polímeros para la fabricación de membranas, catalizadores tanto para la metanación del CO2 como para la reacción de síntesis de Fischer-Tropsch, y diversas partículas inorgánicas nanométricas para su uso en membranas de matriz mixta. En lo referente a la fabricación de las membranas, la tesis aborda principalmente dos tipos: orgánicas e inorgánicas. Con respecto a las membranas orgánicas, se han considerado diferentes materiales poliméricos, tanto para la capa selectiva de la membrana, así como soporte de la misma. Se ha trabajado con poliimidas, puesto que son materiales con temperaturas de transición vítrea muy alta, para su posterior uso en reacciones industriales que tienen lugar entre 250-300 ºC. Para conseguir membranas muy permeables, manteniendo una buena selectividad, es necesario obtener capas selectivas de menos de una micra. Usando como material de soporte otro tipo de polímero, no es necesario estudiar la compatibilidad entre ellos, siendo menos compleja la obtención de capas finas. En cambio, si el soporte es de tipo inorgánico, un exhaustivo estudio de la relación entre la concentración y la viscosidad de la solución polimérica es altamente necesario. Diversas partículas inorgánicas nanométricas se estudiaron para favorecer la permeación de agua a través de los materiales poliméricos. En segundo lugar, en cuanto a membranas inorgánicas, se realizó la funcionalización de una membrana de paladio para favorecer la permeación de hidrógeno y evitar así la contaminación por monóxido de carbono. El motivo por el cual se dopó con otro metal la capa selectiva de la membrana metálica fue para poder emplearla en un reactor de Fischer-Tropsch. Con relación al diseño y fabricación de los reactores, durante esta tesis, se desarrolló el prototipo de un microreactor para la metanación de CO2, donde una membrana polimérica de capa fina selectiva al agua se integró para evitar la desactivación del catalizador, y a su vez desplazar el equilibrio y aumentar la conversión de CO2. Por otro lado, se rediseñó un reactor de Fischer-Tropsch para poder introducir una membrana metálica selectiva a hidrogeno y poder inyectarlo de manera controlada. De esta manera, y siguiendo estudios previos, el objetivo fue mejorar la selectividad a los productos deseados mediante el hidrocraqueo y la hidroisomerización de olefinas y parafinas con la ayuda de la alta presión parcial de hidrógeno. / [CA] La present tesi doctoral es centra en el desenvolupament de noves membranes de separació de gasos, així com el seu ús in-situ en reactors catalítics de membrana per a la intensificació de processos. Per a aquest propòsit, s'han sintetitzat diversos materials, com a polímers per a la fabricació de membranes, catalitzadors tant per a la metanació del CO2 com per a la reacció de síntesi de Fischer-Tropsch, i diverses partícules inorgàniques nanomètriques per al seu ús en membranes de matriu mixta. Referent a la fabricació de les membranes, la tesi aborda principalment dos tipus: orgàniques i inorgàniques. Respecte a les membranes orgàniques, diferents materials polimèrics s'ha considerat com a candidats prometedors, tant per a la capa selectiva de la membrana, així com com a suport d'aquesta. S'ha treballat amb poliimides, ja que són materials amb temperatures de transició vítria molt alta, per al seu posterior ús en reaccions industrials que tenen lloc entre 250-300 °C. Per a aconseguir membranes molt permeables, mantenint una bona selectivitat, és necessari obtindre capes selectives de menys d'una micra. Emprant com a material de suport altre tipus de polímer, no és necessari estudiar la compatibilitat entre ells, sent menys complexa l'obtenció de capes fines. En canvi, si el suport és de tipus inorgànic, un exhaustiu estudi de la relació entre la concentració i la viscositat de la solució polimèrica és altament necessari. Diverses partícules inorgàniques nanomètriques es van estudiar per a afavorir la permeació d'aigua a través dels materials polimèrics. En segon lloc, quant a membranes inorgàniques, es va realitzar la funcionalització d'una membrana de pal¿ladi per a afavorir la permeació d'hidrogen i evitar la contaminació per monòxid de carboni. El motiu pel qual es va dopar amb un altre metall la capa selectiva de la membrana metàl¿lica va ser per a poder emprar-la en un reactor de Fischer-Tropsch. En relació amb el disseny i fabricació dels reactors, durant aquesta tesi, es va desenvolupar el prototip d'un microreactor per a la metanació de CO2, on una membrana polimèrica de capa fina selectiva a l'aigua es va integrar per a així evitar la desactivació del catalitzador i al seu torn desplaçar l'equilibri i augmentar la conversió de CO2. D'altra banda, un reactor de Fischer-Tropsch va ser redissenyat per a poder introduir una membrana metàl¿lica selectiva a l'hidrogen i poder injectar-lo de manera controlada. D'aquesta manera, i seguint estudis previs, el objectiu va ser millorar la selectivitat als productes desitjats mitjançant el hidrocraqueix i la hidroisomerització d'olefines i parafines amb l'ajuda de l'alta pressió parcial d'hidrogen. / [EN] The present thesis is focused on the development of new gas-separation membranes, as well as their in-situ integration on catalytic membrane reactors for process intensification. For this purpose, several materials have been synthesized such as polymers for membrane manufacture, catalysts for CO2 methanation and Fischer-Tropsch synthesis reaction, and inorganic materials in form of nanometer-sized particles for their use in mixed matrix membranes. Regarding membranes manufacture, this thesis deals mainly with two types: organic and inorganic. With regards to the organic membranes, different polymeric materials have been considered as promising candidates, both for the selective layer of the membrane, as well as a support thereof. Polyimides have been selected since they are materials with very high glass transition temperatures, in order to be used in industrial reactions which take place at temperatures around 250-300 ºC. To obtain highly permeable membranes, while maintaining a good selectivity, it is necessary to develop selective layers of less than one micron. Using another type of polymer as support material, it is not necessary to study the compatibility between membrane and support. On the other hand, if the support is inorganic, an exhaustive study of the relation between the concentration and the viscosity of the polymer solution is highly necessary. In addition, various inorganic particles were studied to favor the permeation of water through polymeric materials. Secondly, as regards to inorganic membranes, the functionalization of a palladium membrane to favor the permeation of hydrogen and avoid carbon monoxide contamination was carried out. The membrane selective layer was doped with another metal in order to be used in a Fischer-Tropsch reactor. Regarding the design and manufacture of the reactors used during this thesis, a prototype of a microreactor for CO2 methanation was carried out, where a thin-film polymer membrane selective to water was integrated to avoid the deactivation of the catalyst and to displace the equilibrium and increase the CO2 conversion. On the other hand, a Fischer-Tropsch reactor was redesigned to introduce a hydrogen-selective metal membrane and to be able to inject it in a controlled manner. In this way, and following previous studies, the aim is to enhance the selectivity to the target products by hydrocracking and hydroisomerization the olefins and paraffins assisted by the presence of an elevated partial pressure of hydrogen. / I would like to acknowledge the Spanish Government, for funding my research with the Severo Ochoa scholarship. / Escorihuela Roca, S. (2019). Novel gas-separation membranes for intensified catalytic reactors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/121139

The pressure on clean and sustainable energy supplies is increasing. In this regard energy conversion by electrochemical processes plays a major role, for both fuel cell reactions and electrolysis reactions. The sulphur dioxide oxidation reaction (SOR) is a common reaction found in the Hybrid Sulphur Cycle (HyS) and the HyS is a way to produce large-scale hydrogen (H2). The problem with the use of the HyS and fuel cells is the cost involved as large amounts of Pt are required for effective operation. The aim of the study was to determine whether there was an alternative catalyst which was more efficient and cost-effective than Pt. The oxygen reduction reaction (ORR), the ethanol oxidation reaction (EOR) and SOR were studied by means of different electrochemical techniques (cyclovoltammetry (CV), linear polarization (LP) and rotating disk electrode (RDE)) on polycrystalline platinum (Pt) and palladium (Pd). The SRR and EOR are common reactions occurring at the cathode and anode, respectively, in fuel cells and these reactions have been investigated extensively. The reason for studying the reactions was as a preparation for the SOR. This study compared polycrystalline Pt and Pd for the different reactions, with the main focus on the SOR as Pd is considerably cheaper than Pt, and for the SOR polycrystalline Pd has by no means been investigated intensively. Polycrystalline Pt and Pd were compared by different electrochemical techniques and analyses. The Koutecky-Levich and Levich analyses were used to (i) calculate the number of e- involved in the relevant reaction, (ii) to determine whether the reaction was mass transfer controlled at high overpotentials and (iii) whether the reaction mechanism changed with potential. Next the kinetic current density ( k) was calculated from Koutecky-Levich analyses, which was further used for Tafel slope analyses. If it was not possible to carry out the analyses, the activation energy (Ea) was used to determine the electrocatalytic activity of the catalyst. The electrocatalytic activity was also determined by comparing onset potentials (Es), peak potentials (Ep) and limited/maximum current density ( b/ p) of each catalyst. This study was only a preliminary study for the SOR and therefore, further studies are certainly required. It seemed Pd shows better electrocatalytic activity than Pt for the SRR in an alkaline electrolyte because of similar Es, but Pd produced a higher cathodic current density. Pt showed a lower Es than Pd for the SRR in an acid electrolyte, but Pd delivered a higher cathodic current density. This, therefore, means that the SRR in an acid electrolyte is kinetically more favourable on Pd than on Pt. For the EOR better electrocatalytic activity was obtained with Pd than with Pt in an alkaline electrolyte due to higher current densities at lower potentials and Pd showed lower Ea values than Pt in the potential range normally used for fuel cells. Pd was inactive for EOR in an acid electrolyte, while a reaction occurred on Pt. A possible reason for this observation may be due to the H2 absorbing strongly on Pd thus blocking the active positions on the electrode surfaces, preventing further reaction. Pd showed higher electrocatalytic activity for the SOR due to lower Es and higher current densities at low potentials. From the RDE studies it was established that the SRR in an alkaline electrolyte on polycrystalline Pt and Pd was mass transfer controlled at low potentials (high overpotentials), but the SRR in an acid electrolyte was only mass transfer controlled on Pt. The SOR was not mass transfer controlled on polycrystalline Pt and Pd at high potentials (high overpotentials). These assumptions were confirmed by Levich analysis. Using Koutecky-Levich analysis, it was determined that the reaction mechanism on polycrystalline Pt and Pd changed with potential for SRR in an alkaline electrolyte and the SOR. For the SRR in an acid electrolyte the reaction mechanism remained constant with changes in potential on polycrystalline Pd, but the reaction mechanism on polycrystalline Pt changed with potential. These assumptions were confirmed by the number of e-, calculated using Koutecky-Levich analyses. Levich and Koutecky-Levich analyses were not performed for EOR as an increase in rotation speed did not produce an increase in current density. Tafel slope analyses were conducted by making use of overpotentials and k, where possible. As in the case of ethanol, it was not possible to execute Koutecky-Levich analyses and, therefore, it was not possible to perform Tafel slope analyses using k. Tafel slope analyses for the EOR was therefore performed with normal current densities at 0 rotations per minute (rpm). The reaction mechanisms on Pt and Pd for the SRR in alkaline and acidic electrolytes differed due to different Tafel slopes. Pt and Pd displayed similar Tafel slopes for the EOR in alkaline electrolyte, thus suggesting that the reaction mechanisms on Pt and Pd were the same. For the SOR it seemed that the reaction mechanism on Pt and Pd were similar because of similar Tafel slopes. This was only a preliminary and comparative study for polycrystalline Pt and Pd, and the reaction mechanism was not further studied by means of spectroscopic techniques. / MSc (Chemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

The pressure on clean and sustainable energy supplies is increasing. In this regard energy conversion by electrochemical processes plays a major role, for both fuel cell reactions and electrolysis reactions. The sulphur dioxide oxidation reaction (SOR) is a common reaction found in the Hybrid Sulphur Cycle (HyS) and the HyS is a way to produce large-scale hydrogen (H2). The problem with the use of the HyS and fuel cells is the cost involved as large amounts of Pt are required for effective operation. The aim of the study was to determine whether there was an alternative catalyst which was more efficient and cost-effective than Pt. The oxygen reduction reaction (ORR), the ethanol oxidation reaction (EOR) and SOR were studied by means of different electrochemical techniques (cyclovoltammetry (CV), linear polarization (LP) and rotating disk electrode (RDE)) on polycrystalline platinum (Pt) and palladium (Pd). The SRR and EOR are common reactions occurring at the cathode and anode, respectively, in fuel cells and these reactions have been investigated extensively. The reason for studying the reactions was as a preparation for the SOR. This study compared polycrystalline Pt and Pd for the different reactions, with the main focus on the SOR as Pd is considerably cheaper than Pt, and for the SOR polycrystalline Pd has by no means been investigated intensively. Polycrystalline Pt and Pd were compared by different electrochemical techniques and analyses. The Koutecky-Levich and Levich analyses were used to (i) calculate the number of e- involved in the relevant reaction, (ii) to determine whether the reaction was mass transfer controlled at high overpotentials and (iii) whether the reaction mechanism changed with potential. Next the kinetic current density ( k) was calculated from Koutecky-Levich analyses, which was further used for Tafel slope analyses. If it was not possible to carry out the analyses, the activation energy (Ea) was used to determine the electrocatalytic activity of the catalyst. The electrocatalytic activity was also determined by comparing onset potentials (Es), peak potentials (Ep) and limited/maximum current density ( b/ p) of each catalyst. This study was only a preliminary study for the SOR and therefore, further studies are certainly required. It seemed Pd shows better electrocatalytic activity than Pt for the SRR in an alkaline electrolyte because of similar Es, but Pd produced a higher cathodic current density. Pt showed a lower Es than Pd for the SRR in an acid electrolyte, but Pd delivered a higher cathodic current density. This, therefore, means that the SRR in an acid electrolyte is kinetically more favourable on Pd than on Pt. For the EOR better electrocatalytic activity was obtained with Pd than with Pt in an alkaline electrolyte due to higher current densities at lower potentials and Pd showed lower Ea values than Pt in the potential range normally used for fuel cells. Pd was inactive for EOR in an acid electrolyte, while a reaction occurred on Pt. A possible reason for this observation may be due to the H2 absorbing strongly on Pd thus blocking the active positions on the electrode surfaces, preventing further reaction. Pd showed higher electrocatalytic activity for the SOR due to lower Es and higher current densities at low potentials. From the RDE studies it was established that the SRR in an alkaline electrolyte on polycrystalline Pt and Pd was mass transfer controlled at low potentials (high overpotentials), but the SRR in an acid electrolyte was only mass transfer controlled on Pt. The SOR was not mass transfer controlled on polycrystalline Pt and Pd at high potentials (high overpotentials). These assumptions were confirmed by Levich analysis. Using Koutecky-Levich analysis, it was determined that the reaction mechanism on polycrystalline Pt and Pd changed with potential for SRR in an alkaline electrolyte and the SOR. For the SRR in an acid electrolyte the reaction mechanism remained constant with changes in potential on polycrystalline Pd, but the reaction mechanism on polycrystalline Pt changed with potential. These assumptions were confirmed by the number of e-, calculated using Koutecky-Levich analyses. Levich and Koutecky-Levich analyses were not performed for EOR as an increase in rotation speed did not produce an increase in current density. Tafel slope analyses were conducted by making use of overpotentials and k, where possible. As in the case of ethanol, it was not possible to execute Koutecky-Levich analyses and, therefore, it was not possible to perform Tafel slope analyses using k. Tafel slope analyses for the EOR was therefore performed with normal current densities at 0 rotations per minute (rpm). The reaction mechanisms on Pt and Pd for the SRR in alkaline and acidic electrolytes differed due to different Tafel slopes. Pt and Pd displayed similar Tafel slopes for the EOR in alkaline electrolyte, thus suggesting that the reaction mechanisms on Pt and Pd were the same. For the SOR it seemed that the reaction mechanism on Pt and Pd were similar because of similar Tafel slopes. This was only a preliminary and comparative study for polycrystalline Pt and Pd, and the reaction mechanism was not further studied by means of spectroscopic techniques. / MSc (Chemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

The present thesis is about the investigation of ferromagnetic thin film systems with respect to exchange coupling, magnetization reversal behavior and effects appearing in magnetic heterostructures, namely the exchange bias and the giant magnetoresistance effect. For this purpose, DC magnetron sputtered thin films and multilayers with perpendicular magnetic anisotropy were prepared on single crystalline and rigid as well as flexible amorphous substrates. The first part concentrates on magnetic data storage applications based on the combination of the concept of bit patterned media and three dimensional magnetic memory, consisting of at least two exchange decoupled ferromagnetic storage layers. Here, [Co/Pt] multilayers, revealing different magnetic anisotropies, have been applied as storage layers and as spacer material Pt and Ru was employed. By the characterization of the magnetization reversal behavior the exchange coupling in dependence of the spacer layer thickness was studied. Furthermore, with regard to the concept of bit patterned media, the layers were also grown on self-assembled silica particles, leading to an exchange decoupled single-domain magnetic dot array, which was studied by magnetic force microscope imaging and angular dependent magneto-optic Kerr effect magnetometry to evaluate the reversal mechanism and its dependence on the array dimensions, mainly the diameter of the silica particles and layer thicknesses. To complete the study, micromagnetic simulations were performed to access smaller dimensions and to investigate the dependence of intralayer as well as interlayer coupling on the magnetization reversal of the dot array with multiple storage layers. The second part focuses on the investigation of the giant magnetoresistance effect in systems with perpendicular magnetic anisotropy, where L10 -chemically ordered FePt alloys and [Co/Pt] as well as [Co/Pd] multilayers were utilized. In case of FePt, where high temperatures during the deposition are necessary to induce the chemical ordering, diffusion and alloying of the spacer material often prevent a sufficient exchange decoupling of the ferromagnetic layers. However, with Ru as spacer material a giant magnetoresistance effect could be achieved. Large improvements of the magnetoresistive behavior of such trilayer structures are presented for [Co/Pt] and [Co/Pd] multilayers, which can be deposited at room temperature not limiting the choice of spacer as well as substrate material. Furthermore, in systems consisting of one ferromagnet with perpendicular magnetic anisotropy and one ferromagnet with in-plane magnetic easy axis, a linear and almost hysteresis-free field dependence of the electrical resistance was observed and the behavior for various thickness series has been intensively studied. Finally, the corrosion resistance in dependence of the capping layer material as well as the magnetoresistance of a strained flexible pseudo-spin-valve structure is presented. In addition, in chapter 2.5.2 an experimental study of an improved crystal growth of FePt at comparable low temperatures by molecular beam epitaxy and further promoted by a surfactant mediated growth using Sb is shown. Auger electron spectroscopy as well as Rutherford backscattering spectrometry were carried out to confirm the surface segregation of Sb and magnetic characterization revealed an increase of magnetic anisotropy in comparison to reference layers without Sb. / Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung ferromagnetischer Dünnschichtsysteme im Hinblick auf die Austauchkopplung, das Ummagnetisierungsverhalten und Effekte wie z.B. den Exchange Bias Effekt oder den Riesenmagnetwiderstandseffekt (GMR), welche in derartigen Heterostrukturen auftreten können. Die Probenpräparation erfolgte mittels DC Magnetronsputtern, wobei auf einkristallinen aber auch flexiblen sowie starren amorphen Substraten abgeschieden wurde. Im ersten Teil der Arbeit werden Untersuchungen mit dem Hintergrund einer Anwendung als magnetischer Datenträger vorgestellt. Konkret werden hier die Konzepte Bit Patterned Media (BPM) und 3D Speicher miteinander kombiniert. Letzteres Konzept basiert auf der Verwendung wenigstens zweier austauschentkoppelter ferromagnetischer Schichten, für welche [Co/Pt] Multilagen mit unterschiedlicher magnetischer Anisotropie verwendet wurden. Als Zwischenschichtmaterial diente Pt und Ru. Durch die Charakterisierung des Ummagnetisierungsverhaltens wurde die Austauschkopplung in Abhängigkeit der Zwischenschichtdicke untersucht. Darüber hinaus wurden jene Schichtstapel zur Realisierung des BPM-Konzeptes auf selbstangeordnete SiO2 Partikel mit unterschiedlichen Durchmessern aufgebracht, durch welche sich lateral austauschentkoppelte, eindomänige magnetische Nanostrukturen erzeugen lassen. Zur Untersuchung des Ummagnetisierungsverhaltens und der jeweiligen Größenabhängigkeiten (maßgeblich Durchmesser und Schichtdicke) wurden diese mittels Magnetkraftmikroskopie sowie winkelabhängiger magnetooptischer Kerr Effekt Magnetometrie untersucht. Zur weiteren Vertiefung des Verständnisses noch kleinerer Strukturgrößen erfolgten mikromagnetische Simulationen, bei denen die magnetischen Wechselwirkungen lateral (benachbarte 3D Elemente) als auch vertikal (Wechselwirkungen ferromagnetischer Schichten innerhalb eines 3D Elementes) im Interesse standen, sowie deren Auswirkungen auf das Ummagnetisierungsverhalten des gesamten Feldes. Der Fokus des zweiten Teils liegt auf der Untersuchung des Riesenmagnetwiderstandseffektes in Systemen mit senkrechter Sensitivität. Dafür sind ferromagnetische Schichten mit senkrechter magnetischer Anisotropie nötig, wobei hier die chemisch geordnete L10-Phase der FePt Legierung und [Co/Pt] sowie [Co/Pd] Multilagen Anwendung fanden. Für eine chemische Ordnung der FePt Legierung sind hohe Temperaturen während der Schichtabscheidung notwendig, welche eine hinreichende Austauschentkopplung beider ferromagnetischer Schichten meist nicht gewährleisten. Grund dafür sind einsetzende Diffusionsprozesse als auch Legierungsbildungen mit dem Zwischenschichtmaterial. In der vorliegenden Arbeit konnte der GMR Effekt daher ausschließlich mit einer Ru Zwischenschicht in FePt basierten Trilagensystemen nachgewiesen und charakterisiert werden. Enorme Verbesserungen der magnetoresistiven Eigenschaften werden im Anschluss für [Co/Pt] und vor allem [Co/Pd] Multilagen vorgestellt. Diese Schichtsysteme mit senkrechter magnetischer Anisotropie können bei Raumtemperatur präpariert werden und stellen daher keine weiteren Anforderungen an das Zwischenschichtmaterial sowie die verwendeten Substrate. Hier wurden neben Systemen mit ausschließlich senkrechter magnetischer Anisotropie auch Systeme mit gekreuzten magnetischen Anisotropien intensiv untersucht, da diese durch einen linearen und weitgehend hysteresefreien R(H) Verlauf imHinblick auf Sensoranwendungen enorme Vorteile bieten. Letztendlich wurde die Korrosionsbeständigkeit in Abhängigkeit des Deckschichtmaterials als auch die mechanische Belastbarkeit von auf flexiblen Substraten abgeschiedenen GMR-Schichtstapeln untersucht. Zusätzlich wird in Kapitel 2.5.2 eine experimentelle Studie zum Surfactant-gesteuerten Wachstum der FePt Legierung mittels Molekularstrahlepitaxie vorgestellt. Als Surfactant dient Sb, wodurch die Kristallinität bei geringer Depositionstemperatur deutlich verbessert werden konnte. Die Oberflächensegregation von Sb wurde mittels Auger Elektronenspektroskopie und Rutherford Rückstreuspektrometrie verifiziert und die Charakterisierung magnetischer Eigenschaften belegt einen Anstieg der magnetischen Anisotropieenergie im Vergleich zu Referenzproben ohne Sb.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen neuartigen Fügeprozess, das sogenannte reaktive Fügen bzw. Bonden. Hierbei werden sich selbsterhaltene exotherme Reaktionen in nanoskaligen Schichtsystemen als lokale Wärmequelle für das Fügen unterschiedlichster Substrate der Mikrosystemtechnik verwendet. Das Bonden mit den reaktiven Systemen unterscheidet sich von herkömmlichen Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik primär dadurch, dass durch die rasche Reaktionsausbreitung bei gleichzeitig kleinem Reaktionsvolumen die Fügetemperaturen unmittelbar auf die Fügefläche beschränkt bleiben. Entgegen den herkömmlichen Fügeverfahren mit Wärmeeintrag im Volumen, schont das neue Verfahren empfindliche Bauteile und Materialien mit unterschiedlichsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten lassen sich besser verbinden. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen zur Dimensionierung, Prozessierung und Integration der gesputterten reaktiven Materialsysteme beschrieben. Diese Systeme werden verwendet, um heterogene Materialien mit unterschiedlichen Durchmessern innerhalb kürzester Zeit auf Wafer-Ebene und bei Raumtemperatur zu bonden. Die so erzeugten Verbindungen werden hinsichtlich der Mikrostruktur, der Zuverlässigkeit sowie der Dichtheit untersucht und bewertet. Zusätzlich wird die Temperaturverteilung in der Fügezone während des Fügeprozesses mit numerischen Methoden vorhergesagt.

Due to the ever-increasing worldwide consumption of memory for digital information, new technologies for higher capacity and faster data storage systems have been the focus of research and development. A step towards achieving higher data storage densities or magnetic recording media is the concept of bit patterned media, where the magnetic recording layer is divided up into magnetically isolated bit units. This approach is one of the most promising technologies for increasing data storage densities and could be implemented by nanostructuring the wafer. Therefore, the fabrication of the appropriate nanostructures on a small scale and then be able to manufacture these structures on an industrial scale is one of the problems where science and industry are working on a solution. In addition, the answer to the open question about the influence that patterning on the nano length scale has on the magnetic properties is of great interest. The main goal of this thesis is to answer the open question, which magnetic properties can be tailored by a modification of the surface texture on the nanometre length scale. For this purpose the following properties: anisotropy, remanence, coercivity, switching field distribution, saturation magnetisation, Gilbert damping, and inhomogeneous linebroadening were compared between planar two dimensional thin ferromagnetic films and three dimensional magnetic structures. In addition, the influences of the tailored morphology on the intergranular or the exchange coupling between the structures, which is called interdot exchange coupling, was investigated. For the ferromagnetic thin films, the focus of the investigations was on the granular CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] layer, which currently are the state-of-the-art material for magnetic data storage media. These materials are characterised by their high coercivity and high perpendicular anisotropy, which has a low spatial distribution in the preferred direction of magnetisation. In this work the pre-structured GaSb(001) substrate with self-assembled periodic nanocone structures at the surface are used. The preparation by ion beam erosion of these structures is simple, fast, and highly reproducible and therefore this method is particularly beneficial for fundamental research. To compare the 2D thin films with the 3D magnetic structures, besides the pre-structured specimen, planar samples were also fabricated. The first sample series prepared was coated by Py. Due to the fact that the magnetic properties of this material are well-known, it was also possible to do some OOMMF simulations in addition to the VNA-FMR and MOKE measurements. Afterwards two planar samples with CoCrPt and CoCrPt:SiO2 were prepared. The planar CoCrPt:SiO2 samples were Co+ ion implanted to study the influence of such irradiation on the intergranular and interdot exchange coupling, switching field distribution, and in particular on the spin dynamics. Moreover, both samples were measured by TRMOKE in order to obtain information about the spin dynamics. Subsequently, the perpendicular storage media materials CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] were deposited on a prestructured GaSb(001) nanocone substrate surface. These sample series were measured by MOKE, SQUID, and vector-VSM. The measurements demonstrate the influence of the periodicity and height of the nanocones on the intergranular and interdot exchange coupling. They also show the reorientation of the magnetisation with respect to the curvature of the substrate template and furthermore, the morphology-induced influences on the magnetic domains. From the comparison between the results for the planar and the pre-structured samples, a decrease of the interdot exchange coupling was observed, which scales together with the periodicity of the nanocone pattern. In addition, it was shown that for all samples with thin magnetic films on nanocones,the magnetisation aligns along the curvature of the underlying nanocone structure. For Py on nanocones, planar granular CoCrPt:SiO2, and planar granular CoCrPt, measurements by VNA-FMR and TRMOKE could be carried out, which yielded information about the spin dynamics. The results obtained for both of the planar sample are comparable to values from the literature for the Gilbert damping. The results for the Py samples showed that the commonly used 2D model resonance condition is, in case of a 3D magnetic structure, no longer valid due to the alignment of the magnetisation along the underlying substrate structure and therefore an new model has to be derived. / Aufgrund des weltweiten, immer weiter steigenden Bedarfs an Speicherplatz von digitalen Information, sind neue Technologien für größere und schnellere Speichermedien im Fokus von Forschung und Entwicklung. Ein Schritt hin zu einer höheren Speicherdichte in der magnetischen Datenspeicherung ist dabei das sogenannte Konzept der ”Bit patterned media”, das definierte Informationseinheiten auf regelmäßig angeordneten Nanostrukturen beschreibt. Dieser Ansatz ist einer der derzeit vielversprechendsten Optionen die Speicherdichte zu erhöhen. Dabei ist die Herstellung der benötigten Nanostrukturen und deren Skalierung hin zu makroskopischen Dimensionen eines der Probleme an deren Lösung die Wissenschaft und Industrie derzeit arbeitet. Desweiteren ist die Antwort auf die noch offene Frage nach der Beeinflussung der nanoskaligen Strukturen auf die magnetischen Eigenschaften von großem Interesse. Das Hauptziel in dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Beantwortung der Frage, welche magnetischen Eigenschaften sich durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur im Nanometerbereich beeinflussen lassen, zu leisten. Hierzu wurden die folgenden Eigenschaften, wie zum Beispiel die Anisotropie, Remanenz,Koerzitivität, Schaltfeldverteilung, Sättigungsmagnetisierung, Gilbertdämpfung und inhomogene Linienverbreiterung von planaren zweidimensionalen dünnen ferromagnetische Schichten mit denen von dreidimensionalen magnetischen Strukturen verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der angegpassten Morphologie auf die intergranularen- beziehungsweise auf die zwischen den Strukturen wirkende (interdot) Austauschkopplung untersucht. Der Hauptaugenmerk bei den ferromagnetisch dünnen Schichten lag dabei auf den granularen CoCrPt:SiO2 und [Co/Pd] Filmen, die heutzutage ein Standardmaterial für die magnetischen Speichermedien darstellen. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Koerzivität und senkrechte Anisotropie, mit geringer räumlicher Verteilung der Vorzugsrichtung der Magnetisierung, aus. Die hier vorgestellten vorstrukturierten GaSb(001) Substrate mit selbstordnenden periodischen Nanokegeln auf der Oberfläche, sind mittels Ionenstrahlerosion einfach, schnell und sehr gut reproduzierbar herzustellen. Deshalb ist diese Methode besonders für die Grundlagenforschung von Vorteil. Um einen Vergleich zwischen 2D Filmen und 3D Strukturen ziehen zu können, wurden neben den vorstrukturierten Substraten auch planare Proben beschichtet. Eine erste Versuchsreihe wurde mit einem dünnen Py Film präpariert. Da dessen magnetische Eigenschaften wohlbekannt sind, konnten neben den Untersuchungen mit VNA-FMR und MOKE auch einige OOMF Simulationen erstellt werden. Danach wurden zwei Proben mit planarem CoCrPt beziehungsweise CoCrPt:SiO2 untersucht. Bei den planaren CoCrPt:SiO2 Proben wurden außerdem noch Co+ Ionen implantiert, um deren Auswirkungen auf die intergranulare Austauschkopplung, Schaltfeldverteilung und besonders auf die Spindynamik zu bestimmen. Bei beiden Probensystemen konnte zusätzlich die Spindynamik mittels zeitaufgelöstem MOKE gemessen werden. Im Anschluss wurden die beiden senkrechten Speichermedien CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] auf Substraten mit Nanokegeln vorstrukturierten GaSb(001) Oberflächen abgeschieden. Diese Proben wurden mit MFM, MOKE, SQUID und Vektor-VSM vermessen. Aus den Messungen konnnten dann die Einflüsse auf die intergranulare- beziehungsweise interdot Austauschkopplung in Abhängigkeit von der Periodizität und Höhe der Nanokegel bestimmt werden, sowie die Umorientierung der Magnetisierung bezüglich der Substratkrümmung und den Morphologie induzierten Einfluss auf die magnetischen Domänen. Anhand der Vergleiche zwischen den Messungen der planaren und den vorstrukturierten Proben konnte eine Verringerung der Austauschkopplung zwischen den Strukturen gezeigt werden, die mit der Nanokegelstrukturperiodizität skaliert. Außerdem wurde in allen dünnen magnetischen Filmen auf Nanokegeln gezeigt, dass die Magnetisierung sich in Abhängigkeit der darunterliegenden Struktur ausrichtet. Bei den Py auf Nanokegeln, den planaren CoCrPt und dem planaren CoCrPt:SiO2 Proben konnten außerdem mit VNA-FMR und TRMOKE Informationen bezüglich der Spindynamik gemessen werden. Die erzielten Ergebnisse, der beiden planaren Proben, sind vergleichbar mit denen, aus der Literatur bekannten Werten, für die Gilbertdämpfung. Darüber hinaus wurde durch die Messungen an den Py Proben gezeigt, dass die Theorie, des bisher genutzten 2D Modells, nicht mehr gültig ist, da sich die Magnetisierung entlang der Substratstruktur ausrichtet, und deshalb ein neues Model aufgestellt werden muss.

Due to the ever-increasing worldwide consumption of memory for digital information, new technologies for higher capacity and faster data storage systems have been the focus of research and development. A step towards achieving higher data storage densities or magnetic recording media is the concept of bit patterned media, where the magnetic recording layer is divided up into magnetically isolated bit units. This approach is one of the most promising technologies for increasing data storage densities and could be implemented by nanostructuring the wafer. Therefore, the fabrication of the appropriate nanostructures on a small scale and then be able to manufacture these structures on an industrial scale is one of the problems where science and industry are working on a solution. In addition, the answer to the open question about the influence that patterning on the nano length scale has on the magnetic properties is of great interest. The main goal of this thesis is to answer the open question, which magnetic properties can be tailored by a modification of the surface texture on the nanometre length scale. For this purpose the following properties: anisotropy, remanence, coercivity, switching field distribution, saturation magnetisation, Gilbert damping, and inhomogeneous linebroadening were compared between planar two dimensional thin ferromagnetic films and three dimensional magnetic structures. In addition, the influences of the tailored morphology on the intergranular or the exchange coupling between the structures, which is called interdot exchange coupling, was investigated. For the ferromagnetic thin films, the focus of the investigations was on the granular CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] layer, which currently are the state-of-the-art material for magnetic data storage media. These materials are characterised by their high coercivity and high perpendicular anisotropy, which has a low spatial distribution in the preferred direction of magnetisation. In this work the pre-structured GaSb(001) substrate with self-assembled periodic nanocone structures at the surface are used. The preparation by ion beam erosion of these structures is simple, fast, and highly reproducible and therefore this method is particularly beneficial for fundamental research. To compare the 2D thin films with the 3D magnetic structures, besides the pre-structured specimen, planar samples were also fabricated. The first sample series prepared was coated by Py. Due to the fact that the magnetic properties of this material are well-known, it was also possible to do some OOMMF simulations in addition to the VNA-FMR and MOKE measurements. Afterwards two planar samples with CoCrPt and CoCrPt:SiO2 were prepared. The planar CoCrPt:SiO2 samples were Co+ ion implanted to study the influence of such irradiation on the intergranular and interdot exchange coupling, switching field distribution, and in particular on the spin dynamics. Moreover, both samples were measured by TRMOKE in order to obtain information about the spin dynamics. Subsequently, the perpendicular storage media materials CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] were deposited on a prestructured GaSb(001) nanocone substrate surface. These sample series were measured by MOKE, SQUID, and vector-VSM. The measurements demonstrate the influence of the periodicity and height of the nanocones on the intergranular and interdot exchange coupling. They also show the reorientation of the magnetisation with respect to the curvature of the substrate template and furthermore, the morphology-induced influences on the magnetic domains. From the comparison between the results for the planar and the pre-structured samples, a decrease of the interdot exchange coupling was observed, which scales together with the periodicity of the nanocone pattern. In addition, it was shown that for all samples with thin magnetic films on nanocones,the magnetisation aligns along the curvature of the underlying nanocone structure. For Py on nanocones, planar granular CoCrPt:SiO2, and planar granular CoCrPt, measurements by VNA-FMR and TRMOKE could be carried out, which yielded information about the spin dynamics. The results obtained for both of the planar sample are comparable to values from the literature for the Gilbert damping. The results for the Py samples showed that the commonly used 2D model resonance condition is, in case of a 3D magnetic structure, no longer valid due to the alignment of the magnetisation along the underlying substrate structure and therefore an new model has to be derived. / Aufgrund des weltweiten, immer weiter steigenden Bedarfs an Speicherplatz von digitalen Information, sind neue Technologien für größere und schnellere Speichermedien im Fokus von Forschung und Entwicklung. Ein Schritt hin zu einer höheren Speicherdichte in der magnetischen Datenspeicherung ist dabei das sogenannte Konzept der ”Bit patterned media”, das definierte Informationseinheiten auf regelmäßig angeordneten Nanostrukturen beschreibt. Dieser Ansatz ist einer der derzeit vielversprechendsten Optionen die Speicherdichte zu erhöhen. Dabei ist die Herstellung der benötigten Nanostrukturen und deren Skalierung hin zu makroskopischen Dimensionen eines der Probleme an deren Lösung die Wissenschaft und Industrie derzeit arbeitet. Desweiteren ist die Antwort auf die noch offene Frage nach der Beeinflussung der nanoskaligen Strukturen auf die magnetischen Eigenschaften von großem Interesse. Das Hauptziel in dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Beantwortung der Frage, welche magnetischen Eigenschaften sich durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur im Nanometerbereich beeinflussen lassen, zu leisten. Hierzu wurden die folgenden Eigenschaften, wie zum Beispiel die Anisotropie, Remanenz,Koerzitivität, Schaltfeldverteilung, Sättigungsmagnetisierung, Gilbertdämpfung und inhomogene Linienverbreiterung von planaren zweidimensionalen dünnen ferromagnetische Schichten mit denen von dreidimensionalen magnetischen Strukturen verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der angegpassten Morphologie auf die intergranularen- beziehungsweise auf die zwischen den Strukturen wirkende (interdot) Austauschkopplung untersucht. Der Hauptaugenmerk bei den ferromagnetisch dünnen Schichten lag dabei auf den granularen CoCrPt:SiO2 und [Co/Pd] Filmen, die heutzutage ein Standardmaterial für die magnetischen Speichermedien darstellen. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Koerzivität und senkrechte Anisotropie, mit geringer räumlicher Verteilung der Vorzugsrichtung der Magnetisierung, aus. Die hier vorgestellten vorstrukturierten GaSb(001) Substrate mit selbstordnenden periodischen Nanokegeln auf der Oberfläche, sind mittels Ionenstrahlerosion einfach, schnell und sehr gut reproduzierbar herzustellen. Deshalb ist diese Methode besonders für die Grundlagenforschung von Vorteil. Um einen Vergleich zwischen 2D Filmen und 3D Strukturen ziehen zu können, wurden neben den vorstrukturierten Substraten auch planare Proben beschichtet. Eine erste Versuchsreihe wurde mit einem dünnen Py Film präpariert. Da dessen magnetische Eigenschaften wohlbekannt sind, konnten neben den Untersuchungen mit VNA-FMR und MOKE auch einige OOMF Simulationen erstellt werden. Danach wurden zwei Proben mit planarem CoCrPt beziehungsweise CoCrPt:SiO2 untersucht. Bei den planaren CoCrPt:SiO2 Proben wurden außerdem noch Co+ Ionen implantiert, um deren Auswirkungen auf die intergranulare Austauschkopplung, Schaltfeldverteilung und besonders auf die Spindynamik zu bestimmen. Bei beiden Probensystemen konnte zusätzlich die Spindynamik mittels zeitaufgelöstem MOKE gemessen werden. Im Anschluss wurden die beiden senkrechten Speichermedien CoCrPt:SiO2 and [Co/Pd] auf Substraten mit Nanokegeln vorstrukturierten GaSb(001) Oberflächen abgeschieden. Diese Proben wurden mit MFM, MOKE, SQUID und Vektor-VSM vermessen. Aus den Messungen konnnten dann die Einflüsse auf die intergranulare- beziehungsweise interdot Austauschkopplung in Abhängigkeit von der Periodizität und Höhe der Nanokegel bestimmt werden, sowie die Umorientierung der Magnetisierung bezüglich der Substratkrümmung und den Morphologie induzierten Einfluss auf die magnetischen Domänen. Anhand der Vergleiche zwischen den Messungen der planaren und den vorstrukturierten Proben konnte eine Verringerung der Austauschkopplung zwischen den Strukturen gezeigt werden, die mit der Nanokegelstrukturperiodizität skaliert. Außerdem wurde in allen dünnen magnetischen Filmen auf Nanokegeln gezeigt, dass die Magnetisierung sich in Abhängigkeit der darunterliegenden Struktur ausrichtet. Bei den Py auf Nanokegeln, den planaren CoCrPt und dem planaren CoCrPt:SiO2 Proben konnten außerdem mit VNA-FMR und TRMOKE Informationen bezüglich der Spindynamik gemessen werden. Die erzielten Ergebnisse, der beiden planaren Proben, sind vergleichbar mit denen, aus der Literatur bekannten Werten, für die Gilbertdämpfung. Darüber hinaus wurde durch die Messungen an den Py Proben gezeigt, dass die Theorie, des bisher genutzten 2D Modells, nicht mehr gültig ist, da sich die Magnetisierung entlang der Substratstruktur ausrichtet, und deshalb ein neues Model aufgestellt werden muss.