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.

We have studied the effect of the dipolar magnetic coupling (also known as Néel coupling or "orange-peel" coupling) in tunneling magnetoresistive (TMR) elements. With an in situ scanning tunneling microscope we directly accessed the roughness of the films and found a close correspondence between the values for the coupling fields determined by the magneto-optical Kerr effect and the ones computed on the basis of the measured morphology parameters. We confirm an increase of the dipole coupling between magnetic layers with decreasing barrier thickness as predicted by the model. Deviations from the theoretical predictions are observed for the case of thinner soft magnetic layers, which can be explained by reduced magnetisation in very thin films. We demonstrate the importance of dipolar coupling for understanding the magnetic behaviour of TMR elements by comparing TMR curves for optimised and nonoptimised structures.

In dieser Arbeit wird die nanoskalige Struktur von Grenzschichten in binären metallischen Multischichten untersucht. Ausgangspunkt sind laserdeponierte Multischichten des mischbaren Systems Fe/Al und des nichtmischbaren Systems Co/Cu. Die Struktur der durch die hochenergetischen Teilchen bei der Deposition entstandenen Grenzschichten wird mit Hilfe von zahlreichen Analyseverfahren (RBS, CEMS, EXAFS, Röntgenverfahren, TEM, AES und magnetische Messungen), sowie Simulationsrechnungen auf Basis des ballistischen Mischens (TRIDYN) untersucht. Anschließend wird mit Hilfe von Ionenstrahlmischen und thermischem Anlassen die Grenzschichtstruktur weiter modifiziert.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine Tight-Binding-Formulierung der Korringa-Kohn-Rostoker-Greenschen-Funktionsmethode vorgestellt. Dabei werden mittels eines geeignet gewählten Referenzsystems abgeschirmte Strukturkonstanten konstruiert. Es werden die Vorteile und Grenzen dieser Transformation des Formalismus diskutiert. Es wird gezeigt, daß der numerische Aufwand zur erechnung der Elektronenstruktur von Systemen mit langgestreckter Elementarzelle linear mit der Systemgröße wächst. Damit ist eine Behandlung von Systemen mit 500 und mehr Atomen pro Elementarzelle möglich. Anhand von umfangreichen Testrechnungen kann demonstriert werden, daß das neue Verfahren bezüglich seiner Genauigkeit mit dem traditionellen KKR-Verfahren vergleichbar ist. Es werden Anwendungen zur Berechnung der Elektronenstruktur sowie zur Zwischenlagenaustauschkopplung von Co/Cu(100)-Vielfachschichten vorgestellt. / A newly developed ab initio tight-binding-formulation of the Korringa-Kohn-Rostoker-Green's function method for layered systems is presented. Screened structure constants are calculated by means of a repulsive reference system. Advantages and limits of this transformation of the formalism are discussed in detail. The numerical effort for self consistent electronic structure calculations of systems with a large prolonged supercell scales linearly with the system size. Systems with up to 500 atoms per unit cell can be treated easily. The accuracy of the new method is of the same order as the traditional KKR method. Applications to electronic structure calculations and magnetic interlayer exchange coupling in Co/Cu(100) multilayers are presented.

In this thesis multidomain states in magnetically ordered systems with competing long-range and short range interactions are under consideration. In particular, in antiferromagnetically coupled multilayers with perpendicular anisotropy unusual multidomain textures can be stabilized due to a close competition between long-range demagnetization fields and short-range interlayer exchange coupling. These spatially inhomogeneous magnetic textures of regular multidomain configurations and irregular networks of topological defects as well as complex magnetization reversal processes are described in the frame of the phenomenological theory of magnetic domains. Using a modified model of stripe domains it is theoretically shown that the competition between dipolar coupling and antiferromagnetic interlayer exchange coupling causes an instability of ferromagnetically ordered multidomain states and results in three possible ground states: ferromagnetic multidomain state, antiferromagnetic homogeneous and antiferromagnetic multidomain states. The presented theory allows qualitatively to define the area of existence for each of these states depending on geometrical and material parameters of multilayers. In antiferromagnetically coupled superlattices with perpendicular anisotropy an applied magnetic bias field stabilizes specific multidomain states, so-called metamagnetic domains. A phenomenological theory developed in this thesis allows to derive the equilibrium sizes of metamagnetic stripe and bubble domains as functions of the antiferromagnetic exchange, the magnetic bias field, and the geometrical parameters of the multilayer. The magnetic phase diagram includes three different types of metamagnetic domain states, namely multidomains in the surface layer and in internal layers, and also mixed multidomain states may arise. Qualitative and quantitative analysis of step-like magnetization reversal shows a good agreement between the theory and experiment. Analytical equations have been derived for the stray field components of these multidomain states in perpendicular multilayer systems. In particular, closed expressions for stray fields in the case of ferromagnetic and antiferromagnetic stripes are presented. The theoretical approach provides a basis for the analysis of magnetic force microscopy (MFM) images from this class of nanomagnetic systems. Peculiarities of the MFM contrast have been calculated for realistic tip models. These characteristic features in the MFM signals can be employed for the investigations of the different multidomain modes. The methods developed for stripe-like magnetic domains are employed to calculate magnetization processes in twinned microstructures of ferromagnetic shape-memory materials. The remarkable phenomenon of giant magnetic field induced strain transformations in such ferromagnetic shape memory alloys as Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-Al, or Fe-Pd arises as an interplay of two physical effects: (i) A martensitic transition creating competing phases, i.e. crystallographic domains or variants, which are crystallographically equivalent but have different orientation. (ii) High uniaxial magnetocrystalline anisotropy that pins the magnetization vectors along certain directions of these martensite variants. Then, an applied magnetic field can drive a microstructural transformation by which the martensitic twins, i.e. the different crystallographic domains, are redistributed in the martensitic state. Within the phenomenological (micromagnetic) theory the equilibrium parameters of multivariant stripe patterns have been derived as functions of the applied field for an extended single-crystalline plate. The calculated magnetic phase diagram allows to give a detailed description of the magnetic field-driven martensitic twin rearrangement in single crystals of magnetic shape-memory alloys. The analysis reveals the crucial role of preformed twins and of the dipolar stray-field energy for the magnetic-field driven transformation process in magnetic shape-memory materials. This work has been done in close collaboration with a group of experimentalists from Institute of Metallic Materials of IFW Dresden, Germany and San Jose Research Center of Hitachi Global Storage Technologies, United States. Comparisons between theoretical and experimental data from this cooperation are presented throughout this thesis as vital part of my work on these different subjects.

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