Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden ab initio Berechnungen des Restwiderstandes von metallischen Nanostrukturen vorgestellt. Die elektronische Struktur der idealen Systeme wird mit Hilfe einer Screened KKR Greenschen Funktionsmethode im Rahmen der Vielfachstreutheorie auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Die Potentiale von Punktdefekten werden selbstkonsistent mit Hilfe einer Dyson-Gleichung für die Greensche Funktion des gestörten Systems berechnet. Unter Nutzung der ab initio Ubergangswahrscheinlichkeiten wird der Restwiderstand durch Lösung der quasi-klassischen Boltzmann-Gleichung bestimmt. Ergebnisse für ultradünne Cu-Filme und die Leitfähigkeitsanomalie während des Wachstums von Co/Cu-Vielfachschichten werden vorgestellt. Der Einfluss von Oberflächen, geordneten und ungeordneten Grenzflächenlegierungen und von Defekten an verschiedenen Positionen in der Vielfachschicht auf den Effekt des Giant Magnetoresistance wird untersucht. Die selbstkonsistente Berechnung der Streueigenschaften und die verbesserte Lösung der Boltzmann-Transportgleichung unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen stellen ein leistungsfähiges Werkzeug zur umfassenden theoretischen Beschreibung dar. Sie verhelfen zu nützlichen Einsichten in die mikroskopischen Prozesse, die die Transporteigenschaften von nanostrukturierten Materialen bestimmen. / A powerful formalism for the calculation of the residual resistivity of metallic nanostructured materials without adjustable parameters is presented. The electronic structure of the unperturbed system is calculated using a screended KKR multiple scattering Green's function formalism in the framework of density functional theory. The scattering potential of point defects is calculated self-consistently by solving a Dyson equation for the Green's function of the perturbed system. Using the ab initio scattering probabilities the residual resistivity was calculated solving the quasiclassical Boltzmann equation. Examples are given for the resistivity of ultrathin Cu films and the conductance anomaly during the growth of a Co/Cu multilayer. Furthermore, the influence of surfaces, ordered and disordered interface alloys and defects at different positions in the multilayer on the effect of Giant Magnetoresistance is investigated. The self-consistent calculation of the scattering properties and the improved treatment of the Boltzmann transport equation including vertex corrections provide a powerful tool for a comprehensive theoretical description and a helpful insight into the microscopic processes determining the transport properties of magnetic nanostructured materials.

Die Messung magnetischer Felder ist in der Sensorik von großem Interesse. Benötigt werden dazu physikalische Effekte, die magnetische Größen in elektrische Größen umsetzen. Ein interessanter Vertreter ist dabei der Riesenmagnetowiderstand (GMR). Systeme, die den GMR zeigen, sind Thema dieser Arbeit. Die untersuchten Systeme lassen sich in zwei Typen einteilen: Multilagen bestehen aus einer großen Zahl (30-40) nominell identischer Doppellagen aus abwechselnd ferromagnetischem und nichtmagnetischem Metall. Diese Systeme zeigen eine Widerstandsänderung mit der Stärke des externen Magnetfeldes. Untersucht wurden Schichten Co/Cu und NiFe/Cu. Es konnten Schichten mit einer Sensitivität von 3.2%/mT präpariert werden. Für den Rückgang der Signalstärke bei erhöhten Temperaturen sind, abhängig von der Cu-Dicke, zwei unterschiedliche Mechanismen verantwortlich. Diese werden diskutiert. Spin Valves bestehen aus Einzellagen unterschiedlicher Materialien (antiferro-, ferro- und paramagnetisch), meist Metalle, die eine Widerstandsänderung mit der Richtung des externen Magnetfeldes zeigen. Untersucht wurden Systeme, die auf NiO, FeMn und IrMn basieren. Die Temperaturabhängigkeit dieser Systeme zeigt Eigenschaften, die für die kommerzielle Nutzung wichtig sein können. Die mikroskopischen Ursachen werden diskutiert. Ein neu entwickeltes, leistungsfähiges Modell kann das sensorische Verhalten dieser Systeme sehr gut nachbilden und erlaubt so einen Einblick in die internen Vorgänge.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden ab initio Berechnungen des Restwiderstandes von metallischen Nanostrukturen vorgestellt. Die elektronische Struktur der idealen Systeme wird mit Hilfe einer Screened KKR Greenschen Funktionsmethode im Rahmen der Vielfachstreutheorie auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Die Potentiale von Punktdefekten werden selbstkonsistent mit Hilfe einer Dyson-Gleichung für die Greensche Funktion des gestörten Systems berechnet. Unter Nutzung der ab initio Ubergangswahrscheinlichkeiten wird der Restwiderstand durch Lösung der quasi-klassischen Boltzmann-Gleichung bestimmt. Ergebnisse für ultradünne Cu-Filme und die Leitfähigkeitsanomalie während des Wachstums von Co/Cu-Vielfachschichten werden vorgestellt. Der Einfluss von Oberflächen, geordneten und ungeordneten Grenzflächenlegierungen und von Defekten an verschiedenen Positionen in der Vielfachschicht auf den Effekt des Giant Magnetoresistance wird untersucht. Die selbstkonsistente Berechnung der Streueigenschaften und die verbesserte Lösung der Boltzmann-Transportgleichung unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen stellen ein leistungsfähiges Werkzeug zur umfassenden theoretischen Beschreibung dar. Sie verhelfen zu nützlichen Einsichten in die mikroskopischen Prozesse, die die Transporteigenschaften von nanostrukturierten Materialen bestimmen. / A powerful formalism for the calculation of the residual resistivity of metallic nanostructured materials without adjustable parameters is presented. The electronic structure of the unperturbed system is calculated using a screended KKR multiple scattering Green's function formalism in the framework of density functional theory. The scattering potential of point defects is calculated self-consistently by solving a Dyson equation for the Green's function of the perturbed system. Using the ab initio scattering probabilities the residual resistivity was calculated solving the quasiclassical Boltzmann equation. Examples are given for the resistivity of ultrathin Cu films and the conductance anomaly during the growth of a Co/Cu multilayer. Furthermore, the influence of surfaces, ordered and disordered interface alloys and defects at different positions in the multilayer on the effect of Giant Magnetoresistance is investigated. The self-consistent calculation of the scattering properties and the improved treatment of the Boltzmann transport equation including vertex corrections provide a powerful tool for a comprehensive theoretical description and a helpful insight into the microscopic processes determining the transport properties of magnetic nanostructured materials.

This work presents the successful development of micro-origami sensorics by 3D self-assembling and reconfiguring in space integrated thin-film magnetic sensors, which rely on anisotropic (AMR) and giant magnetoresistance (GMR). Stimuli responsive polymeric materials able to reshape into mesoscale 3D “Swiss-roll” and polygonal architectures accomplish a strain driven parallel spatial realignment of magnetic sensors from the in-plane state. High performance 3D magnetic vector angular encoders demonstrates the successful realization of complex sensor configurations. The proposed concepts rely on parallel wafer scale processes, which allow for a monolithic fabrication of 3D sensor arrays and pave the way towards active sensory matrix circuits. As a proof of this concept, magneto-resistive Wheatstone bridge sensors are developed and integrated in the self-assembling platform at predefined rigid regions and integrated with an active matrix backplane circuit. This circuit, based on a-IGZO TFT technology, is specially designed for the operation with the Wheatstone bridge differential sensors and optimized to be compatible with the micro-origami self-folding technology. Such an active sensory matrix system with integrated 3D self-assembled pixels is called Integrated Micro-Origami Sensors or in short IMOS. IMOS is capable for static and dynamic mapping of magnetic fields enabling spatiotemporal mapping of artificial magnetic hair arrays embedded in an elastic skin layer. The presented results offer a fresh strategy for large area integration of microscale 3D electronic devices with various vector functionalities in active matrix circuits, which are of great interest in novel robotics, bioelectronics and diagnostic systems.

In this work, stretchable magnetic sensorics is successfully established by combining metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world-wide first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetoelectronics with fully strain invariant properties, is described. The prepared soft giant magnetoresistive devices exhibit the same sensing performance as on conventional rigid supports, but can be stretched uniaxially or biaxially reaching strains of up to 270% and endure over 1,000 stretching cycles without fatigue. The comprehensive magnetoelectrical characterization upon tensile deformation is correlated with in-depth structural investigations of the sensor morphology transitions during stretching. With their unique mechanical properties, the elastic magnetoresistive sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. This feature leads electronic skin systems beyond imitating the characteristics of its natural archetype and extends their cognition to static and dynamic magnetic fields that by no means can be perceived by human beings naturally. Various application fields of stretchable magnetoelectronics are proposed and realized throughout this work. The developed sensor platform can equip soft electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Theorie des spinabhängigen Transports in magnetischen Vielfachschichten. Es wird erstmalig eine parameterfreie Beschreibung des Giant Magnetoresistance (GMR) vorgelegt, welche detaillierte Einsichten in die mikroskopischen Vorgänge gestattet. Die ab-initio Berechnung der Elektronenstruktur der magnetischen Vielfachschichten basiert auf der Spindichtefunktionaltheorie unter Verwendung eines Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Verfahrens. Die Streueigenschaften von Punktdefekten werden über die Greensche Funktion des gestörten Systems selbstkonsistent bestimmt. Die Transporteigenschaften werden durch Lösung der quasiklassischen Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Elektronenstruktur der Vielfachschicht und der Anisotropie der Streuung an Fremdatomen berechnet. Die Boltzmann-Gleichung wird iterativ unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen gelöst. Der Formalismus wird auf Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten, die Standardsysteme der Magnetoelektronik, angewandt. Es werden die Abhängigkeit der Streuquerschnitte, der spezifischen Restwiderstände und des GMR von der Art und der Lage der Übergangsmetalldefekte in Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten diskutiert. Darüber hinaus wird der Einfluß des Quantum Confinements auf den GMR eingehend untersucht. Vorteile und Grenzen der vorliegenden theoretischen Beschreibung werden aufgezeigt. / A new theoretical concept to study the microscopic origin of Giant Magnetoresistance (GMR) from first principles is presented. The method is based on ab-initio electronic structure calculations within the spin density functional theory using a Screened Korringa-Kohn-Rostoker method. Scattering at impurity atoms in the multilayers is described by means of a Green's-function method. The scattering potentials are calculated self-consistently. The transport properties are treated quasi-classically solving the Boltzmann equation including the electronic structure of the layered system and the anisotropic scattering. The solution of the Boltzmann equation is performed iteratively taking into account both scattering out and scattering in terms (vertex corrections). The method is applied to Co/Cu and Fe/Cr multilayers. Trends of scattering cross sections, residual resistivities and GMR ratios are discussed for various transition metal impurities at different positions in the Co/Cu or Fe/Cr multilayers. Furthermore the relation between spin dependence of the electronic structure and GMR as well as the role of quantum confinement effects for GMR are investigated. Advantages and limits of the approach are discussed in detail.

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Theorie des spinabhängigen Transports in magnetischen Vielfachschichten. Es wird erstmalig eine parameterfreie Beschreibung des Giant Magnetoresistance (GMR) vorgelegt, welche detaillierte Einsichten in die mikroskopischen Vorgänge gestattet. Die ab-initio Berechnung der Elektronenstruktur der magnetischen Vielfachschichten basiert auf der Spindichtefunktionaltheorie unter Verwendung eines Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Verfahrens. Die Streueigenschaften von Punktdefekten werden über die Greensche Funktion des gestörten Systems selbstkonsistent bestimmt. Die Transporteigenschaften werden durch Lösung der quasiklassischen Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Elektronenstruktur der Vielfachschicht und der Anisotropie der Streuung an Fremdatomen berechnet. Die Boltzmann-Gleichung wird iterativ unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen gelöst. Der Formalismus wird auf Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten, die Standardsysteme der Magnetoelektronik, angewandt. Es werden die Abhängigkeit der Streuquerschnitte, der spezifischen Restwiderstände und des GMR von der Art und der Lage der Übergangsmetalldefekte in Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten diskutiert. Darüber hinaus wird der Einfluß des Quantum Confinements auf den GMR eingehend untersucht. Vorteile und Grenzen der vorliegenden theoretischen Beschreibung werden aufgezeigt. / A new theoretical concept to study the microscopic origin of Giant Magnetoresistance (GMR) from first principles is presented. The method is based on ab-initio electronic structure calculations within the spin density functional theory using a Screened Korringa-Kohn-Rostoker method. Scattering at impurity atoms in the multilayers is described by means of a Green's-function method. The scattering potentials are calculated self-consistently. The transport properties are treated quasi-classically solving the Boltzmann equation including the electronic structure of the layered system and the anisotropic scattering. The solution of the Boltzmann equation is performed iteratively taking into account both scattering out and scattering in terms (vertex corrections). The method is applied to Co/Cu and Fe/Cr multilayers. Trends of scattering cross sections, residual resistivities and GMR ratios are discussed for various transition metal impurities at different positions in the Co/Cu or Fe/Cr multilayers. Furthermore the relation between spin dependence of the electronic structure and GMR as well as the role of quantum confinement effects for GMR are investigated. Advantages and limits of the approach are discussed in detail.

In this work, stretchable magnetic sensorics is successfully established by combining metallic thin films revealing a giant magnetoresistance effect with elastomeric materials. Stretchability of the magnetic nanomembranes is achieved by specific morphologic features (e.g. wrinkles), which accommodate the applied tensile deformation while maintaining the electrical and magnetic integrity of the sensor device. The entire development, from the demonstration of the world-wide first elastically stretchable magnetic sensor to the realization of a technology platform for robust, ready-to-use elastic magnetoelectronics with fully strain invariant properties, is described. The prepared soft giant magnetoresistive devices exhibit the same sensing performance as on conventional rigid supports, but can be stretched uniaxially or biaxially reaching strains of up to 270% and endure over 1,000 stretching cycles without fatigue. The comprehensive magnetoelectrical characterization upon tensile deformation is correlated with in-depth structural investigations of the sensor morphology transitions during stretching. With their unique mechanical properties, the elastic magnetoresistive sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. This feature leads electronic skin systems beyond imitating the characteristics of its natural archetype and extends their cognition to static and dynamic magnetic fields that by no means can be perceived by human beings naturally. Various application fields of stretchable magnetoelectronics are proposed and realized throughout this work. The developed sensor platform can equip soft electronic systems with navigation, orientation, motion tracking and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, like smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants and soft consumer electronics will benefit from these new magnetic functionalities.:Outline List of abbreviations 7 1. INTRODUCTION 1.1 Motivation and scope of this work 8 1.1.1 A brief review on stretchable electronics 8 1.1.2 Stretchable magnetic sensorics 10 1.2 Technological approach 11 1.3 State-of-the-art 12 2. THEORETICAL BACKGROUND 2.1 Magnetic coupling phenomena in layered structures 14 2.1.1 Magnetic interlayer exchange coupling 14 2.1.2 Exchange bias 15 2.1.3 Orange peel coupling 16 2.2 Giant magnetoresistance 17 2.2.1 Electronic transport through ferromagnets 17 2.2.2 The GMR effect 19 2.2.3 GMR multilayers 20 2.2.4 Spin valves 21 2.3 Theory of elasticity 22 2.3.1 Elastomeric materials 22 2.3.2 Stress and strain 23 2.3.3 Rubber elasticity 25 2.3.4 The Poisson effect 26 2.3.5 Viscoelasticity 27 2.3.6 Bending strain in a stiff film on a flexible support 27 2.4 Approaches to stretchable electronic systems 28 2.4.1 Microcrack formation 28 2.4.2 Meanders and compliant patterns 29 2.4.3 Surface wrinkling 30 2.4.4 Rigid islands 32 3. METHODS & MATERIALS 3.1 Sample fabrication 34 3.1.1 Polydimethylsiloxane (PDMS) 34 3.1.2 PDMS film preparation 35 3.1.3 Lithographic structuring on the PDMS surface. 36 3.1.4 Magnetic thin film deposition 38 3.1.5 GMR layer stacks 40 3.1.6 Mechanically induced pre-strain 43 3.1.7 Methods and materials for the direct transfer of GMR sensors 45 3.1.8 Materials used for imperceptible GMR sensors 47 3.2 Characterization 48 3.2.1 GMR characterization setup with in situ stretching capability 48 3.2.2 Sample mounting 50 3.2.3 Electrical contacting of stretchable sensor devices 51 3.2.4 Customized demonstrator electronics 52 3.2.5 Microscopic investigation techniques 53 4. RESULTS & DISCUSSION 4.1 GMR multilayer structures on PDMS 54 4.1.1 Pre-characterization 54 4.1.2 Thermally induced wrinkling 55 4.1.3 Self-healing effect 57 4.1.4 Demonstrator: Magnetic detection on a curved surface 60 4.1.5 Sensitivity enhancement 61 4.1.6 GMR sensors in circumferential geometry 64 4.1.7 Stretchability test 67 4.2 Stretchable spin valves 69 4.2.1 Random wrinkles and periodic fracture 70 4.2.2 GMR characterization 73 4.2.3 Stretching of spin valves 74 4.2.4 Microcrack formation mechanism 76 4.3 Direct transfer printing of GMR sensorics 81 4.3.1 The direct transfer printing process 82 4.3.2 Direct transfer of GMR microsensor arrays 84 4.3.3 Direct transfer of compliant meander shaped GMR sensors 86 4.4 Imperceptible magnetoelectronics 89 4.4.1 GMR multilayers on ultra-thin PET membranes 89 4.4.2 Imperceptible GMR sensor skin 92 4.4.3 Demonstrator: Fingertip magnetic proximity sensor 93 4.4.4 Ultra-stretchable GMR sensors 94 4.4.5 Biaxial stretchability 99 4.4.6 Demonstrator: Dynamic detection of diaphragm inflation 101 5. CONCLUSIONS & OUTLOOK 5.1 Achievements 102 5.2 Outlook 104 5.2.1 Further development steps 104 5.2.2 Prospective applications. 105 5.3 Technological impact: flexible Bi Hall sensorics 106 5.3.1 Application potential 106 5.3.2 Thin and flexible Hall probes 107 5.3.3 Continuative works and improvements 108 5.4 Activities on technology transfer and public relations 108 Appendix References 110 Selbständigkeitserklärung 119 Acknowledgements 120 Curriculum Vitae 121 Scientific publications, contributions, patents, grants & prizes 122