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In this study, we want to realize the influence of temperature on the ferroelectric liquid crystal flow and rubbing strength on the surface free energy of the polyimide thin film. The rubbing strength is determined by pile impress and the number of rubbing. The surface energy of the samples is measured. On the other hand the ferroelectric liquid crystal flow on the polyimide thin film was observed using a polarizing microscope. We found that the polyimide film treated by rubbing the surface properties will become non-uniformity. When the number of rubbing increased to a certain extent, polar energy is not changed, white disperse energy is continued to show fluctuations. In liquid crystal flow observation, we found that when the polyimide thin film temperature is low, the flow of ferroelectric liquid crystal is relatively slow, and its flow direction is in rubbing direction. When the polyimide thin film temperature is high, ferroelectric liquid crystal has two-dimensional flow. In addition to the direction of the original rubbing direction, but also increased the flow in the direction of the vertical rubbing.

In the present studies we investigated the effects of mechanical rubbing on the surface characteristics of polymer liquid crystal alignment layers. Contact angles of water droplets in contacted with the rubbed polyimide were measured using a surface tension meter, and the surface free energy of the polymer thin films were evaluated. We found that the contact angle of water and surface free energy on rubbed polyimide is anisotropic, and rubbing caused decrease in surface free energy and wettability of the polyimide surface. It was also seen that the contact angle hysteresis and the surface free energy measured in the direction parallel to the rubbing direction is smaller than that in the direction anti-parallel to the rubbing direction. We found that when the pile impression of the velvet fibers is 0.3 mm and the cumulative number of rub is 3 times, the contact angle hysteresis in direction parallel or anti-parallel to the rubbing direction will to be close. Be suitable choosing rubbing conditions, the SSFLCs without zigzag defects was produced. The pretilt angle and the response time of liquid crystal increased with the cumulative number.

Spin-orbit coupling (SOC) reduces the spatial symmetry of ferromagnetic solids. That is, the physical properties of ferromagnetic materials are anisotropic, depending on the magnetization direction. In this thesis, by means of numerical calculations with full-relativistic density functional theory, we studied two kinds of physical properties: surface magnetic anisotropy energy (MAE) and anisotropic thermoelectric power due to Lifshitz transitions. After a short introduction to the full-relativistic density functional theory in Chapter 2, the MAE of ferromagnetic thin films is studied in Chapter 3. For such systems, separation of different contributions, such as bulk magnetocrystalline anisotropy (MCA) energy, shape anisotropy energy, and surface/interface anisotropy energy, is crucial to gain better understanding of experiments. By fitting our calculating results for thick slabs to a phenomenological model, reliable surface MAE could be obtained. Following this idea, we have studied the MAE of Co slabs with different geometries, focusing on the effects of orbital polarization correction (OPC). We found that the surface anisotropy is mainly determined by the geometry. While OPC gives better results of orbital moments, it overestimates the MAE. In the second part of Chapter3, the effects of electric fields on the MAE of L10 ferromagnetic thin films are studied. Using a simple model to simulate the electric field, our calculations are in good agreement with previous experimental results. We predicted that for CoPt, even larger effects exist. Moreover, we found that it is the amount of screening charge that determines the magnetoelectric coupling effects. This gives us some clue about how to achieve electric field control of magnetization direction. In Chapter 4, Lifshitz transitions in L10 FePt caused by a canted magnetic field are studied. We found several Lifshitz transitions in ordered FePt with tiny features in DOS. Using a two-band model, it is demonstrated that at such transitions, the singular behaviour of kinetic properties is due to the interband scattering, and the singularity itself is proportional to the derivative of the singular DOS. For FePt, such singularity will be smeared into anomaly by chemical disorder. Using CPA, we studied the effects of energy level broadening for the critical bands in FePt. We found that for experimentally available FePt thin films, Lifshitz transitions would induce up to a 3% increase of thermopower as the magnetization is rotated from the easy axis to the hard axis. / Spin-Bahn-Kopplung reduziert die Symmetrie ferromagnetischer Festkörper. Das bedeutet, dass die physikalischen Eigenschaften ferromagnetischer Stoffe anisotrop bezüglich der Magnetisierungsrichtung sind. In dieser Dissertation werden mittels numerischer voll-relativistischer Dichtefunktional-Rechnungen zwei Arten physikalischer Eigenschaften untersucht: magnetische Oberflächen-Anisotropieenergie (MAE) und anisotrope Thermokraft durch Lifshitz-Übergänge. Nach einer kurzen Einführung in die relativistische Dichtefunktional-Theorie in Kapitel 2 wird in Kapitel 3 die MAE ferromagnetischer dünner Filme untersucht. In diesen Systemen ist es für ein Verständnis experimenteller Ergebnisse wichtig, verschiedene Beiträge zu separieren: Volumenanteil der magnetokristallinen Anisotropie (MCA), Formanistropie und Oberflächen bzw. Grenzflächenanisotropie. Durch Anpassen berechneter Daten für dicke Schichten an ein phänomenologisches Modell konnten verlässliche Oberflächen Anisotropien erhalten werden. In dieser Weise wurde die MAE von Co- Schichten mit unterschiedlichen Geometrien untersucht, wobei der Einfluss von Orbitalpolarisations-Korrekturen (OPC) im Vordergrund stand. Es wurde gefunden, dass die Oberflächenanisotropie hauptsächlich von der Geometrie bestimmt wird. Während OPC bessere Ergebnisse für die Orbitalmomente liefert, wird die MAE überschätzt. Im zweiten Teil von Kapitel 3 wird der Einfluss elektrischer Felder auf die MAE von dünnen ferromagnetischen Filmen mit L10-Struktur untersucht. Unter Verwendung eines einfachen Modells zur Simulation des elektrischen Feldes liefern die Rechnungen gute Übereinstimmung mit vorliegenden experimentellen Ergebnissen. Es wird vorhergesagt, dass für CoPt ein noch größerer Effekt existiert. Weiterhin wurde gefunden, dass die magnetoelektrische Kopplung von der Größe der Abschirmladung bestimmt wird. Dies ist eine wichtige Einsicht, um die Magnetisierungsrichtung durch ein elektrisches Feld kontrollieren zu können. In Kapitel 4 werden Lifshitz-Übergänge untersucht, die ein gekantetes Magnetfeld hervorruft. Es wurden mehrere Lifshitz-Übergänge in geordnetem FePt gefunden, welche kleine Anomalien in der Zustandsdichte hervorrufen. Mit Hilfe eines Zweiband-Modells wird gezeigt, dass an solchen Übergängen das singuläre Verhalten kinetischer Eigenschaften durch Interband- Streuung verursacht wird und dass die Singularität proportional zur Ableitung der singulären Zustandsdichte ist. In FePt wird durch chemische Unordnung diese Singularität zu einer Anomalie verschmiert. Der Einfluss einer Verbreiterung der Energieniveaus der kritischen Bänder in FePt wurde mittels CPA untersucht. Es wurde gefunden, dass in experimentell verfügbaren dünnen FePt-Filmen Lifshitz-Übergänge bis zu 3% Erhöhung der Thermokraft erzeugen, wenn die Magnetisierung von der leichten in die harte Richtung gedreht wird.

Cette thèse avait pour objectif d'augmenter la fréquence de travail d'un multicouche magnéto-diélectrique pour des applications des Nouvelles Technologies de l'Information et de la Communication (NTIC). Ainsi, deux types de structures ont été étudiés : des multicouches (CoO=CoFeB)n et des tricouches Py/Ru/Py. Dans les empilements (CoO=CoFeB)n, la montée en fréquence est assurée par une anisotropie de surface du CoFeB induite par une rugosité orientée à la surface de la couche CoO. Cette rugosité est générée par la géométrie de dépôt. La fréquence de résonance de ce système est ajustable sur toute la gamme de fréquence des NTIC par le choix des épaisseurs de CoO et de CoFeB. Ces propriétés magnétiques sont modélisées en ajoutant à l'anisotropie intrinsèque du CoFeB un terme démagnétisant. Celui-ci est calculé à partir des observations de la surface de la couche CoO par microscopie à force atomique. Les propriétés magnétiques obtenues sur le bicouche sont maintenues dans le cas d'un multicouche, montrant que la rugosité est peu affectée par l'empilement. Dans les tricouches Py/Ru/Py, le terme s'ajoutant à l'anisotropie intrinsèque du Py est induit par le couplage des deux couches de Py via les électrons de conduction de la couche de Ru (couplage RKKY). Selon les échantillons, le terme de couplage antiferromagnétique ou quadratique est prépondérant. La modélisation du comportement statique permet de quantifier ces termes de couplage. La modélisation du comportement dynamique prédit les deux fréquences de résonance caractéristiques observées expérimentalement. / The aim of this thesis was to increase the working frequency of a magneto-dielectric multilayer for ICT applications. Two structures were studied : (CoO=CoFeB)n multilayers and Py/Ru/Py trilayer. In (CoO=CoFeB)n stacks, the CoFeB resonance frequency is increased thanks to a surface anisotropy induced by the CoO oriented roughness. This roughness is generated by the deposition geometry. The resonance frequency of this system is adjustable over the entire ICT frequency range by choosing the CoO and CoFeB thicknesses. These magnetic properties are simulated by adding a demagnetizing term to the CoFeB intrinsic volume anisotropy. This term is calculated from AFM observations of CoO surface. The magnetic properties of the bilayer are not degraded in multilayers because the roughness is poorly affected by the stacking. In trilayer Py/Ru/Py, the term added to the Py intrinsic anisotropy is induced by the coupling of the two Py layers via the conduction electrons of Ru (RKKY coupling). Depending on the samples, the quadratic or antiferromagnetic coupling term is dominant. The hysteresis loop fitting leads to the coupling terms values. The dynamic properties calculus predicts the two resonance frequencies experimentally observed.

Spin-orbit coupling (SOC) reduces the spatial symmetry of ferromagnetic solids. That is, the physical properties of ferromagnetic materials are anisotropic, depending on the magnetization direction. In this thesis, by means of numerical calculations with full-relativistic density functional theory, we studied two kinds of physical properties: surface magnetic anisotropy energy (MAE) and anisotropic thermoelectric power due to Lifshitz transitions. After a short introduction to the full-relativistic density functional theory in Chapter 2, the MAE of ferromagnetic thin films is studied in Chapter 3. For such systems, separation of different contributions, such as bulk magnetocrystalline anisotropy (MCA) energy, shape anisotropy energy, and surface/interface anisotropy energy, is crucial to gain better understanding of experiments. By fitting our calculating results for thick slabs to a phenomenological model, reliable surface MAE could be obtained. Following this idea, we have studied the MAE of Co slabs with different geometries, focusing on the effects of orbital polarization correction (OPC). We found that the surface anisotropy is mainly determined by the geometry. While OPC gives better results of orbital moments, it overestimates the MAE. In the second part of Chapter3, the effects of electric fields on the MAE of L10 ferromagnetic thin films are studied. Using a simple model to simulate the electric field, our calculations are in good agreement with previous experimental results. We predicted that for CoPt, even larger effects exist. Moreover, we found that it is the amount of screening charge that determines the magnetoelectric coupling effects. This gives us some clue about how to achieve electric field control of magnetization direction. In Chapter 4, Lifshitz transitions in L10 FePt caused by a canted magnetic field are studied. We found several Lifshitz transitions in ordered FePt with tiny features in DOS. Using a two-band model, it is demonstrated that at such transitions, the singular behaviour of kinetic properties is due to the interband scattering, and the singularity itself is proportional to the derivative of the singular DOS. For FePt, such singularity will be smeared into anomaly by chemical disorder. Using CPA, we studied the effects of energy level broadening for the critical bands in FePt. We found that for experimentally available FePt thin films, Lifshitz transitions would induce up to a 3% increase of thermopower as the magnetization is rotated from the easy axis to the hard axis. / Spin-Bahn-Kopplung reduziert die Symmetrie ferromagnetischer Festkörper. Das bedeutet, dass die physikalischen Eigenschaften ferromagnetischer Stoffe anisotrop bezüglich der Magnetisierungsrichtung sind. In dieser Dissertation werden mittels numerischer voll-relativistischer Dichtefunktional-Rechnungen zwei Arten physikalischer Eigenschaften untersucht: magnetische Oberflächen-Anisotropieenergie (MAE) und anisotrope Thermokraft durch Lifshitz-Übergänge. Nach einer kurzen Einführung in die relativistische Dichtefunktional-Theorie in Kapitel 2 wird in Kapitel 3 die MAE ferromagnetischer dünner Filme untersucht. In diesen Systemen ist es für ein Verständnis experimenteller Ergebnisse wichtig, verschiedene Beiträge zu separieren: Volumenanteil der magnetokristallinen Anisotropie (MCA), Formanistropie und Oberflächen bzw. Grenzflächenanisotropie. Durch Anpassen berechneter Daten für dicke Schichten an ein phänomenologisches Modell konnten verlässliche Oberflächen Anisotropien erhalten werden. In dieser Weise wurde die MAE von Co- Schichten mit unterschiedlichen Geometrien untersucht, wobei der Einfluss von Orbitalpolarisations-Korrekturen (OPC) im Vordergrund stand. Es wurde gefunden, dass die Oberflächenanisotropie hauptsächlich von der Geometrie bestimmt wird. Während OPC bessere Ergebnisse für die Orbitalmomente liefert, wird die MAE überschätzt. Im zweiten Teil von Kapitel 3 wird der Einfluss elektrischer Felder auf die MAE von dünnen ferromagnetischen Filmen mit L10-Struktur untersucht. Unter Verwendung eines einfachen Modells zur Simulation des elektrischen Feldes liefern die Rechnungen gute Übereinstimmung mit vorliegenden experimentellen Ergebnissen. Es wird vorhergesagt, dass für CoPt ein noch größerer Effekt existiert. Weiterhin wurde gefunden, dass die magnetoelektrische Kopplung von der Größe der Abschirmladung bestimmt wird. Dies ist eine wichtige Einsicht, um die Magnetisierungsrichtung durch ein elektrisches Feld kontrollieren zu können. In Kapitel 4 werden Lifshitz-Übergänge untersucht, die ein gekantetes Magnetfeld hervorruft. Es wurden mehrere Lifshitz-Übergänge in geordnetem FePt gefunden, welche kleine Anomalien in der Zustandsdichte hervorrufen. Mit Hilfe eines Zweiband-Modells wird gezeigt, dass an solchen Übergängen das singuläre Verhalten kinetischer Eigenschaften durch Interband- Streuung verursacht wird und dass die Singularität proportional zur Ableitung der singulären Zustandsdichte ist. In FePt wird durch chemische Unordnung diese Singularität zu einer Anomalie verschmiert. Der Einfluss einer Verbreiterung der Energieniveaus der kritischen Bänder in FePt wurde mittels CPA untersucht. Es wurde gefunden, dass in experimentell verfügbaren dünnen FePt-Filmen Lifshitz-Übergänge bis zu 3% Erhöhung der Thermokraft erzeugen, wenn die Magnetisierung von der leichten in die harte Richtung gedreht wird.

Cette thèse concerne l'étude des propriétés structurales et magnétiques de nanoparticules magnétiques creuses (HMNPs), coquille et coquille/coquille. Les effets de surface sont exaltés de par la présence des surfaces interne et externe. L'étude expérimentale de HMNPs basée sur des mesures magnétiques et de spectrométrie Mössbauer du 57Fe a montré une structure magnétique complexe. Les HMNPs ayant une épaisseur ultrafine présentent une structure magnétique décrite par 2 sous-réseaux spero-magnétiques opposés, en plus de la présence d’un champ d'échange bias significatif. L'effet de la taille et de l'épaisseur des HMNPs a été également étudié. Les spectres Mössbauer obtenus sous champ magnétique montrent que la structure magnétique est fortement corrélée au rapport surface/volume. Ces résultats expérimentaux ont été confirmés par simulation Monte Carlo. Après optimisation du modèle, l’approche numérique montre d’abord que l'anisotropie de surface Ks gouverne le comportement magnétique des HMNPs et ensuite que la valeur critique de Ks nécessaire pour obtenir une configuration radiale (spike) diminue lorsque la taille des HMNPs augmente. L'étude numérique menée pour différentes tailles et épaisseurs de coquille, a permis de suivre leurs effets sur la structure magnétique des HMNPs. Par ailleurs, l'étude expéri-mentale menée sur des HMNPs shell/shell, montre que le désordre des spins et le champ d'échange bias deviennent plus importants lorsque les HMNPs sont recouvertes d’une coquille antiferromagnétique (NiO). De ces résultats, on peut déduire l'effet du désordre des spins sur les phénomènes d'échange bias dans un tel système. / This thesis concerns the study of structural and magnetic properties of hollow magnetic nanoparticles (HMNPs), shell and shell/shell. These HMNPs present enhanced surface effects resulting from the presence of both inner and outer surface layers. The experimental investigation combining magne-tic measurements and 57Fe Mössbauer spectrometry of such HMNPs has revealed a complex spin magnetic structure. Small HMNPs with ultrathin thickness show highly disordered magnetic structure and the corresponding in-field hyperfine structure can be described by means of 2 speromagnetic antiferromagnetically coupled, in addition to the significant exchange bias phenomenon. The in-field Mössbauer study of the effect of size and thickness of HMNPs shows that the spin disorder is strongly correlated to the surface to volume ratio. Those experimental magnetic behaviors were confirmed using Monte Carlo simulation. Indeed, after improving the numeric model, it is concluded that surface anisotropy Ks has a dominant role in the magnetic behavior of HMNPs and the value of critical Ks necessary to obtain radial (spike) configuration decreases as the size of HMNPs increases, keeping the same thickness. The numeric study for different sizes and shell thicknesses allows the effect of these parameters on the spin structure of HMNPs to be followed. Then, the experi-mental study extended to shell/shell HMNPs indicates that the spin disorder is enhanced in HMNPs with antiferromagnetic shell (NiO) in addition to larger exchange bias field. From those results, one can try to deduce the effect of spin disorder on the exchange bias phenomena in such system.

Over the last two decades, great progress has been made in the understanding of multiferroic materials, ones where multiple long-range orders simultaneously exist. However, much of the research has focused on bulk systems. If these materials are to be incorporated into devices, they would not be in bulk form, but would be miniaturized, such as in nanoparticle form. Accordingly, a better understanding of multiferroic nanoparticles is necessary. This manuscript examines the multiferroic phase diagram of multiferroic nanoparticles related to system size and surface-induced magnetic anisotropy. There is a particular focus on bismuth ferrite, the room-temperature antiferromagnetic-ferroelectric multiferroic. Theoretical results will be presented which show that at certain sizes, a bistability develops in the cycloidal wavevector. This implies bistability in the ferroelectric and magnetic moments of the nanoparticles. This novel magnetoelectric bistability may be of use in the creation of an electrically-written, magnetically-read memory element. / Graduate