Multiferroic materials with a coupled ordering of electric and magnetic moments could be used to build energy-efficient, magnetic computer memory that is written with an electrical field. To understand the interaction between the magnetic and electric ordering in such materials, two examples, namely yttrium manganate YMn2O5 and neodymium iron borate NdFe3(BO3)4, are studied by means of resonant x-ray diffraction. The important role of a pure electronic contribution to the ferroelectric polarization is shown in YMn2O5. Furthermore, substitution of Fe can change the magnetic order of YMn2O5 from antiferromagnetic into ferrimagnetic, allowing the storage of easily readable magnetic information. Therefore the change of the magnetic structure upon small Fe substitution is studied. Although most of the magnetic structure of the parent compound is kept, the Fe moments have larger components along the c-direction. In NdFe3(BO3)4 the microscopic origin of the magnetoelectric coupling is addressed as the consequence of the frustration of the Fe and Nd magnetic sublattices. The application of an electrical field shifts the balance from the helical to the collinear magnetic domains, revealing again the strong magnetoelectric coupling. / Multiferroische Materialien mit einer starken magnetoelektrischen Kopplung können als energieeffizienter, magnetischer Speicher benutzt werden, welcher mit einem elektrischen Feld geschrieben wird. Um die Wechselwirkung der elektrischen mit der magnetischen Ordnung in solchen Materialien zu verstehen, werden hier zwei Beispiele, nämlich Yttriummanganat YMn2O5 und Neodymeisenborat NdFe3(BO3)4, mit resonanter Röntgenbeugung untersucht. In YMn2O5 wird die wichtige Rolle eines rein elektronischen Beitrags zur ferroelektrischen Polarisation gezeigt. Um die magnetische Struktur von YMn2O5 von antiferromagnetisch zu ferrimagnetisch zu verändern, kann Fe substituiert werden. Dies ermöglicht es, leicht zu lesende, magnetische Informationen zu speichern. Daher wurde die Änderung der magnetischen Struktur bei leichter Fe Substituierung untersucht. Auch wenn die magnetische Struktur von Fe im wesentlichen der magnetischen Struktur von Mn folgt, haben die Fe Momente größere Komponenten entlang der c-Richtung. In NdFe3(BO3)4 wird der Ursprung der starken magnetischen Kopplung als Folge der Frustration des Nd und Fe Untergitters erklärt. Das Anlegen eines elektrischen Feldes führt zur Verschiebung des Gleichgewichts von den helikalen zu den kollinearen magnetischen Domänen, welches wieder die starke magnetoelektrische Kopplung veranschaulicht.

Die Arbeit behandelt die vielseitigen Möglichkeiten im Bereich der Kristallstrukturanalyse mit Röntgenstrahlung, welche sich zusätzlich bei resonanter Anregung von Elektronenübergängen ergeben. Existierende resonante Methoden aus diesem Bereich werden im materialwissenschaftlichen Kontext neu dargelegt und ausgebaut. Zudem werden neue Methoden zur Strukturverfeinerung vorgestellt, welche darauf zielen, mithilfe resonanter Anregung kleine Abweichungen von der Idealstruktur oder aber Phasenumwandlungen zu beschreiben. Im Vordergrund steht dabei die hier erstmals ausgearbeitete Methode der Unterdrückung von Beugungsintensität durch Variation der atomaren Streufaktoren über gezieltes Einstellen der Röntgenenergie. Dies ist stark abhängig von internen Strukturparametern und ermöglichte so eine pikometergenaue Bestimmung von Atompositionen in einer neuen, polaren Oberflächenschicht des Strontiumtitanats. Weitere Anwendungen auf verschiedene Klassen kristalliner Materialien werden vorgestellt und basieren auf unterschiedlichen Aspekten resonanter Beugung wie zum Beispiel verbotenen Reflexen.

Die Arbeit behandelt die vielseitigen Möglichkeiten im Bereich der Kristallstrukturanalyse mit Röntgenstrahlung, welche sich zusätzlich bei resonanter Anregung von Elektronenübergängen ergeben. Existierende resonante Methoden aus diesem Bereich werden im materialwissenschaftlichen Kontext neu dargelegt und ausgebaut. Zudem werden neue Methoden zur Strukturverfeinerung vorgestellt, welche darauf zielen, mithilfe resonanter Anregung kleine Abweichungen von der Idealstruktur oder aber Phasenumwandlungen zu beschreiben. Im Vordergrund steht dabei die hier erstmals ausgearbeitete Methode der Unterdrückung von Beugungsintensität durch Variation der atomaren Streufaktoren über gezieltes Einstellen der Röntgenenergie. Dies ist stark abhängig von internen Strukturparametern und ermöglichte so eine pikometergenaue Bestimmung von Atompositionen in einer neuen, polaren Oberflächenschicht des Strontiumtitanats. Weitere Anwendungen auf verschiedene Klassen kristalliner Materialien werden vorgestellt und basieren auf unterschiedlichen Aspekten resonanter Beugung wie zum Beispiel verbotenen Reflexen.

Multiferroic materials with a coupled ordering of electric and magnetic moments could be used to build energy-efficient, magnetic computer memory that is written with an electrical field. To understand the interaction between the magnetic and electric ordering in such materials, two examples, namely yttrium manganate YMn2O5 and neodymium iron borate NdFe3(BO3)4, are studied by means of resonant x-ray diffraction. The important role of a pure electronic contribution to the ferroelectric polarization is shown in YMn2O5. Furthermore, substitution of Fe can change the magnetic order of YMn2O5 from antiferromagnetic into ferrimagnetic, allowing the storage of easily readable magnetic information. Therefore the change of the magnetic structure upon small Fe substitution is studied. Although most of the magnetic structure of the parent compound is kept, the Fe moments have larger components along the c-direction. In NdFe3(BO3)4 the microscopic origin of the magnetoelectric coupling is addressed as the consequence of the frustration of the Fe and Nd magnetic sublattices. The application of an electrical field shifts the balance from the helical to the collinear magnetic domains, revealing again the strong magnetoelectric coupling. / Multiferroische Materialien mit einer starken magnetoelektrischen Kopplung können als energieeffizienter, magnetischer Speicher benutzt werden, welcher mit einem elektrischen Feld geschrieben wird. Um die Wechselwirkung der elektrischen mit der magnetischen Ordnung in solchen Materialien zu verstehen, werden hier zwei Beispiele, nämlich Yttriummanganat YMn2O5 und Neodymeisenborat NdFe3(BO3)4, mit resonanter Röntgenbeugung untersucht. In YMn2O5 wird die wichtige Rolle eines rein elektronischen Beitrags zur ferroelektrischen Polarisation gezeigt. Um die magnetische Struktur von YMn2O5 von antiferromagnetisch zu ferrimagnetisch zu verändern, kann Fe substituiert werden. Dies ermöglicht es, leicht zu lesende, magnetische Informationen zu speichern. Daher wurde die Änderung der magnetischen Struktur bei leichter Fe Substituierung untersucht. Auch wenn die magnetische Struktur von Fe im wesentlichen der magnetischen Struktur von Mn folgt, haben die Fe Momente größere Komponenten entlang der c-Richtung. In NdFe3(BO3)4 wird der Ursprung der starken magnetischen Kopplung als Folge der Frustration des Nd und Fe Untergitters erklärt. Das Anlegen eines elektrischen Feldes führt zur Verschiebung des Gleichgewichts von den helikalen zu den kollinearen magnetischen Domänen, welches wieder die starke magnetoelektrische Kopplung veranschaulicht.

Le travail illustré par ce manuscrit de thèse présente l'étude structurale d'hétéro-structures semi-conductrices à base de nitrures d'éléments III avec l'un des outils les plus puissants de la recherche scientifique: le rayonnement synchrotron. La cartographie haute résolution de l'espace réciproque, la diffraction anomale multi-longueur d'onde, la spectroscopie d'absorption X et la spectroscopie en condition de diffraction nous ont permis de caractériser la structure à l'échelle atomique de différentes régions d'un même système. Dans un premier temps, nous montrons que les nanofils GaN sur Si(111) ont une polarité N et proposons un mécanisme de nucléation. Dans un second temps, nous mettons en évidence un phénomène d'inter-diffusion stimulée par la contrainte dans les boîtes quantiques GaN / AlN recuites à haute température. Enfin, nous observons la présence d'un ordre local à courte distance dans les nanofils coeur-coquille InGaN / GaN. Cette organisation atomique pourrait être induite par la présence de contrainte, nous avons initié une étude de l'anisotropie de l'ordre à courte distance pour explorer cette hypothèse. / The work presented in this manuscript deals with the structural investigation of III-nitrides semiconductor heterostructures with one of the most powerful tools of materials science: the synchrotron radiation. We used high resolution reciprocal space mapping, multi-wavelenght anomalous diffraction, x-rays absorption spectroscopy and diffraction anomalous fine structure to characterize the structure at the atomic scale of complex nano-structured systems. First, we show that GaN nanowires on Si(111) are N-polar and we suggest a nucleation mecanism. Then, we highlight a strain assited inter-diffusion phenomenon in the GaN / AlN quantum dots annealed at high temperature. Finally, we observe the presence of short-range order in InGaN / GaN core-shell nanowires. This atomic organization could be induced by the presence of stress and we have begun a study of the anisotropic ordering to explore this hypothesis.