Within this thesis, (ultra)thin NiFe2O4 (NFO) and CoFe2O4 (CFO) films are prepared via reactive molecular beam epitaxy (RMBE) on MgO(001) and SrTiO3(001) substrates and are characterized in terms of their structural, electronic, and magnetic properties. In a first step, the structural properties of ultrathin off-stoichiometric NixFe(3-x)O4 films (0<x<1.5) deposited via RMBE on MgO(001) are investigated in situ during film deposition by means of synchrotron radiation-based x-ray diffraction (XRD) and ex situ after film growth by high energy surface x-ray diffraction (HESXRD). In the second major step of this work, a more extensive study on the dependence of the cationic ratio in NixFe(3-x)O4 thin films (0<x<2.07) grown on MgO(001) is conducted. The film surface structure and chemical composition is characterized in situ by low energy electron diffraction (LEED) and laboratory-based soft x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. Film thicknesses are determined via analysis of x-ray reflectivity (XRR) data, while the film structure is analyzed by XRD measurements. Further, chemical properties and the electronic structure of the NFO films with focus on the cationic valencies of Ni and Fe cations with varying x is investigated by means of (angle-resolved) hard x-ray photoelectron spectroscopy [(AR-)HAXPES]. Complementary x-ray absorption spectroscopy (XAS) and x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) investigations are conducted to obtain information on the cationic site occupancies and on the element-specific magnetic moments. The latter are compared to magnetic properties characterized via superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometry. In a third step, the type of substrate is changed to SrTiO3(001) to investigate the influence of a larger strain applied by the substrate to NFO films with varying thicknesses. Structural characterization at the surfaces and in the films is conducted by means of LEED, XRR, and (grazing incidence) XRD, whereas XPS and HAXPES provide information on the chemical composition and electronic structure in the near-surface region and in deeper subsurface layers, respectively. Magnetic properties are characterized by SQUID magnetometry. In a fourth step, an alternative pathway for the formation of ferrite thin films is demonstrated exemplarily for CoFe2O4 films on SrTiO3(001), which are formed by interdiffusion of Fe3O4/CoO bilayers. The interdiffusion process was monitored via XRR, soft XPS and AR-HAXPES to determine the bilayer/film structure, stoichiometry, and chemical properties. Analysis of complementary XAS measurements provides additional information on the occupancies of Fe and Co cations during interdiffusion. Final SQUID magnetometry measurements are performed to gain information on the magnetic properties before and after complete interdiffusion. Overall, within this thesis, it was demonstrated that NFO and CFO thin films can be prepared in high structural quality with sharp interfaces and surfaces, which is crucial for the applicability in the fields of spintronics and spincaloritronics.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und der Diamantoberfläche. Es werden jeweils zwei der genannten Materialien kombiniert und im Hinblick auf die dadurch entstehenden magnetischen und elektronischen Eigenschaften untersucht. Durch die Füllung von Fullerenen in CNTs mit entsprechenden Durchmessern ergibt sich eine eindimensionale Anordnung der Fullerene. Diese Strukturen werden als peapods bezeichnet. Bei der Verwendung von endohedralen, magnetischen Fullerenen ergibt sich durch die Einschränkung der Dimension die Möglichkeit einer wohl-definierten Kopplung und dadurch eine mögliche Änderung der magnetischen Eigenschaften. Die hier betrachteten Moleküle sind die paramagnetischen Fullerene N@C60 und Er3N@C80 sowie das ferromagnetische Dy2ScN@C80-Fulleren, welches auch als ein Einzelmolekülmagnet (SMM) bezeichnet wird. Für die Herstellung von peapods wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Füllanlage aufgebaut, welche die speziellen Anforderungen der Fullerene berücksichtigt und mit der auch CNTs auf Substraten gefüllt werden können. Der Erfolg der Füllung wird mit hochauflösender Transmisssions-Elektronenmikroskopie (HRTEM), energiedispersiver Röntgen-Spektroskopie (EDX) und optischer Emissions- Spektrometrie (OES) überprüft. Durch weitergehende Untersuchungen im HRTEM konnte eine Reaktion von metallischen Atomen aus den Fullerenen innerhalb der CNTs zu neuen, metallischen Clustern beobachtet werden. Für die Untersuchungen möglicher Änderungen der magnetischen Eigenschaften sind magnetische Messungen notwendig. Diese können mit der Methode des magnetischen zirkularen Röntgendichroismus (XMCD) durchgeführt werden. Für das Ziel von nanoskopischen XMCD-Messungen einzelner peapods wurden Rastertransmissions- Röntgenmikroskopie-Messungen (STXM) am Synchrotron durchgeführt. Diese wurden mit HRTEM-Messungen derselben Probenpositionen korreliert, um die spektroskopische mit der räumlichen Auflösung zu verknüpfen. Dabei konnte ein Röntgenabsorptions- Spektrum von einem dünnen peapod-Bündel gemessen werden. Zusätzlich wurde mit makroskopischen XMCD-Messungen von Er3N@C80-Fullerenen, gefüllt in CNTs, gezeigt, dass diese Methode auch für peapods anwendbar ist. Erste XMCDMessungen von ferromagnetischen Dy2ScN@C80-Fullerenen zeigen eine deutliche Änderung der magnetischen Eigenschaften durch die eindimensionale Anordnung in CNTs. Im Zusammenhang mit der eindimensionalen Anordnung von paramagnetischen Fullerenen wurde außerdem ein Konzept eines Quantenregisters betrachtet, welches auf N@C60- peapods basiert. Diese sollen dabei auf eine Diamantoberfläche deponiert werden, um oberflächennahe Stickstoff-Fehlstellen-Zentren zum Auslesen der Spinzustände der N@C60- Fullerene verwenden zu können. Die in diesem Fall auftretende elektronische Wechselwirkung zwischen unterschiedlich terminierten Diamantoberflächen und CNTs sowie Fullerenen wurde mit Kelvinsonden-Mikroskopie- Messungen (KPFM) untersucht. Dabei wurde erstmalig ein Elektronentransfer von der wasserstoffterminierten Diamantoberfläche in CNTs experimentell nachgewiesen, während dieser bei Sauerstoffterminierung nicht beobachtet wurde. Die präsentierten Messungen geben Auskunft über den auftretenden Ladungstransfer, indem Ladungen in C60- Fullerenen und CNTs lokal aufgelöst abgebildet werden. Zusammenfassend können die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse helfen, zukünftige Bauelemente von klassischen Computern oder Quantencomputern, basierend auf niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien, zu entwickeln.

<p>Magnetotactic bacteria (MTB) are ubiquitous, multi-phylogenetic bacteria that actively synthesize chains of magnetic, membrane bound; single domain magnetite (Fe₃O₄) or greigite (Fe₃S₄) crystals, termed magnetosomes in order to better navigate to their preferred chemical environment using the Earth’s magnetic field. Discovered in 1963, the field is now focused on understanding magnetosome chain formation and associated processes through genetic studies as well as analytical techniques such as Transmission Electron Microscopy (TEM) and Scanning Transmission X-ray Microscopy – X-ray Magnetic Circular Dichroism (STXM-XMCD).</p> <p>This thesis performed studies on <em>Candidatus Magnetovibrio blakemorei</em> strain MV-1 using STXM at the C 1s, O 1s, Ca 2p and Fe 2p edges. STXM-XMCD was used to determine the magnetism of individual magnetosomes and quantitatively determine magnetic properties such as the magnetic moment of individual chains. A sub-population of MV-1 cells was identified as having anomalous magnetic orientations of magnetosome sub-chains when separated spatial gaps. The frequency of this event and the underlying implications to magnetosome formation are discussed.</p> / Master of Science (MSc)

Ein Spezialgebiet der modernen Mikroelektronik ist die Miniaturisierung und Entwicklung von neuen nanostrukturierten und Komposit-Materialen aus 3d-Metallen. Durch geeignete Zusammensetzungen können diese sowohl mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung und Koerzitivfeldstärke als mit besserer Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu den reinen Elementen erzielt werden.<br /> <br /> In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden für die Herstellung von bimetallischen kolloidalen Nanopartikeln vor allem mit einer Kern-Hülle-Struktur (Kern@Hülle) präsentiert. Bei der überwiegenden Zahl der vorgestellten Reaktionen handelt es sich um die thermische Zersetzung von metallorganischen Verbindungen wie Kobaltcarbonyl, Palladium- und Platinacetylacetonate oder die chemische Reduktion von Metallsalze mit langkettigem Alkohol in organischem Lösungsmittel. Daneben sind auch Kombinationen aus diesen beiden Verfahren beschrieben. Es wurden Kolloide aus einem reinen Edelmetall (Pt, Pd, Ag) in einem organischen Lösungsmittel synthetisiert und daraus neue, bisher in dieser Form nicht bekannte Ag@Co-, Pt@Co-, Pd@Co- und Pt@Pd@Co-Nanopartikel gewonnen.<br /> <br /> Der Kobaltgehalt der Ag@Co-, Teilchen konnte im Bereich von 5 bis 73 At. % beliebig eingestellt werden. Der mittlere Durchmesser der Ag@Co-Partikel wurde von 5 nm bis 15 nm variiert. Bei der Herstellung von Pt@Co-Teilchen wurde eine unterschiedlich dicke Kobalt-Hülle von ca. 1,0 bis 2,5 nm erzielt. Im Fall des Palladiums wurden sowohl monodispere als auch polydisperse Pd-Nanopartikel mit einer maximal 1,7-2,0nm dicken Kobalthülle synthetisiert.<br /> <br /> Ein großer Teil dieser Arbeit befasst sich mit den magnetischen Eigenschaften der kolloidalen Teilchen, wobei die SQUID-Magnetometrie und Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) dafür eingesetzt wurden. Weil magnetische Messungen alleine nur indirekte Schlüsse über die untersuchten Systeme erlauben, wurde dabei besonderer Wert auf die möglichst genaue strukturelle Charakterisierung der Proben mittels moderner Untersuchungsmethoden gelegt. Röntgendiffraktometrie (XRD), Röntgenabsorptionsfeinstruktur- (EXAFS) und UV-Vis-Spektroskopie sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Kombination mit Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und energiedispersive Röntgenfluoreszensanalyse (EDX) wurden verwendet. / Magnetic colloidal particles are attractive because of their possible application to ultra-high-density magnetic data storage media, sensors, electronic devices and medical diagnostics. The properties of small particles depend on their composition, shape, and method of preparation. The combination of 3d-metals (Fe, Co, Ni) with noble metals improves the stability of the colloids and leads to new properties of the magnetic systems, often distinct from those of the corresponding monometallic particles. Core-shell particles, where dia- or paramagnetic noble metal-cores are surrounded by a ferromagnetic Co-shell, are an interesting system to study surface and interfacial magnetism such as an induced polarization or a giant magnetoresistance effect. <br /> <br /> In this work, new synthetic routes for the preparation of monometallic (Pt, Pd, Ag) and bimetallic magnetic nanocrystals (Ag@Co, Pt@Co, Pd@Co) with core-shell structure are presented. Stable colloids with a narrow particle size distribution were obtained in organic solvents using methods of wet chemistry. The method of preparation of Ag@Co is based on the thermal decomposition of dicobalt octycarbonyl in combination with a transmetalation reaction with water free AgClO4. The cobalt amount in the Ag@Co system could be tuned from 5 to 73 at. %. The average diameter of the particles was varied from 5 to 15 nm. <br /> <br /> The reduction of platinum and palladium salts in organic solution using long chained alcohol as the reductant leads to stable metal nanostructures. Monodisperse Pd and Pt particles with average sizes of 1.7 to 7.0 nm were synthesized via thermal decomposition of metal-surfactant complexes too. Alkylamines and alkylphosphines were used in this procedure. The thickness of the Co-shell was controlled by a simple high-temperature thermolysis of dicobalt octacarbonyl at the presence of Pd and Pt seeds and was tunable from 0.5 to 2.5 nm. <br /> <br /> The crystalline structure of the samples was characterized by transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), UV-VIS and electron-energy loss spectroscopy (EELS). SQUID magnetometry, x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) measurements gave information about the magnetic properties of the bimetallic systems and revealed their dependency on the particle size and the chemical composition. A high spin to orbital moments ratio µL/µS of 0.26±0.06 for Ag@Co and 0.22±0.05 for Pt@Co nanocrystals was observed at XMCD measurements due to the lowered dimensionality the investigated systems.

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Notre étude porte sur des matériaux à effets relativistes importants. L'hamiltonien semi-relativiste, couplé aux équations de Maxwell (EM), permet de déduire les sources de courant et de densité, incluant des termes de second ordre (polarisations de spin et de Darwin). Différents modèles sont développés par expansion des EM. L'étude ab initio montre que (1) le désordre atomique peut produire le ferrimagnétisme (FM) dans GaFeO3 (GFO) multiferroïque, (2) les états 3d Fe des octaèdres déformés ont une levée de dégénérescence tétraédrique (théorie du champ cristallin), (3) la polarisation électrique concorde avec l'expérience, (4) le mécanisme magnétoélectrique (ME) direct est insuffisant pour expliquer le ME observé. Pour Cr2O3, le calcul de l'état massif sous contraintes biaxiales n'explique pas son FM, la taille de l'échantillon ou l'excès d'oxygène pourrait de fait être important. Enfin, nous avons développé le XAS et le XMCD dans le code VASP et calculé ces spectres pour GFO. / We studied the physics of materials where relativistic effects are important. We first coupled the semi-relativistic Hamiltonian with the Maxwell's equations, and derived the current and density sources, which included second-order terms like the spin and Darwin polarizations. Different models were developed, by expanding the Maxwell's equations. We then performed ab initio studies to explain (1) site disorders as the origin of ferrimagnetism in multiferroic GaFeO3 (GFO), (2) crystal-field theory where the Fe 3d states at the deformed octahedra have tetrahedral splittings, (3) the electric polarization as a function of temperature, and (4) the insufficiency of the direct magnetoelectric (ME) mechanism to explain observed ME behavior. For Cr2O3, bulk calculations for different biaxial strains failed to explain its ferromagnetism, indicating that size or excess-O effects might be important. Finally, we implemented XAS and XMCD in VASP and computed these spectra for GFO.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Defekten auf die Eigenschaften von Ferrit-Dünnfilmen untersucht. Die Dünnfilme wurden mit Hilfe von gepulster Laserabscheidung bei verschiedenen Züchtungsparametern hergestellt. Durch Variation der Substrattemperatur und des Sauerstoffpartialdrucks wurden Dünnfilme verschiedener kristalliner Qualität gezüchtet. Diese wurden hinsichtlich ihrer chemischen Komposition mit Hilfe von energie-dispersiver Röntgenspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Durch Korrelation der Ergebnisse mit Messungen zum zirkularen magnetischen Röntgendichroismus, konnte eine partielle Inversion der Spinellstruktur nachgewiesen werden. Der Grad der Inversion ist höher für geringe Abscheidetemperaturen. Für diese defektreichen Dünnfilme zeigen Röntgenbeugungsuntersuchungen eine geringere kristalline Ordnung der Dünnfilme. Die strukturellen Defekte haben einen maßgeblichen Einfluss auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Ferrit-Dünnfilme. So zeigen die Ferrit-Dünnfilme für geringe Züchtungstemperaturen eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit, während Dünnfilme, die bei hohen Substrattemperaturen gezüchtet wurden, isolierend sind. Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit kann auf thermisch aktivierte Hopping-Leitung oder die Leitung zwischen Clustern, die in einer Matrix eingebettet sind, zurückgeführt werden. Die magnetischen Eigenschaften von Zinkferrit-Dünnfilmen werden maßgeblich durch Defekte in der Spinellstruktur bestimmt, da es nominell in der normalen Spinellstruktur kristallisiert und daher antiferromagnetisch ist. Die partielle Inversion der Eisen- und Zinkionen führt zu Ferrimagnetismus in den Zinkferrit-Dünnfilmen, der mit Hilfe von SQUID-Messungen in dieser Arbeit eingehend untersucht wurde. Durch Korrelation der Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungsmethoden konnten Rückschlüsse auf die dominierenden Defekte in den Ferrit-Dünnfilmen geschlossen werden. So sind zum einen Defekte auf atomarer Skala, wie Antisite-Defekte und divalenten Fe-Ionen für die erhöhte elektrische Leitfähigkeit und die größere Magnetisierung der defektreichen Dünnfilme verantwortlich. Zum anderen können ausgedehnte Defekte, im Speziellen Cluster, die in einer amorphen Matrix eingebettet sind, nicht ausgeschlossen werden.

The nano-contact spin torque oscillator (NC-STO) is an emerging device for highly tunable microwave frequency generation in the range from 0.1 GHz to above 65 GHz with an on-chip footprint on the scale of a few μm. The frequency is inherent to the magnetic material of the NC-STO and is excited by an electrical DC current by means of the spin torque transfer effect. Although the general operation is well understood, more detailed aspects such as a generally nonlinear frequency versus current relationship, mode-jumping and high device-to-device variability represent open questions. Further application-oriented questions are related to increasing the electrical output power through synchronization of multiple NC-STOs and integration with CMOS integrated circuits. This thesis consists of an experimental part and a simulation part. Experimentally, for the frequency stability it is found that the slow but strong 1/f-type frequency fluctuations are related to the degree of nonlinearity and the presence of perturbing, unexcited modes. It is also found that the NC-STO can exhibit up to three propagating spin wave oscillation modes with different frequencies and can randomly jump between them. These findings were made possible through the development of a specialized microwave time-domain measurement circuit. Another instrumental achievement was made with synchrotron X-rays, where we image dynamically the magnetic internals of an operating NC-STO device and reveal a spin wave mode structure with a complexity significantly higher than the one predicted by the present theory. In the simulations, we are able to reproduce the nonlinear current dependence by including spin wave-reflecting barriers in the nm-thick metallic, magnetic free layer. A physical model for the barriers is introduced in the form of metal grain boundaries with reduced magnetic exchange coupling. Using the experimentally measured average grain size of 30 nm, the spin wave mode structure resulting from the grain model is able to reproduce the experimentally found device nonlinearity and high device-to-device variability. In conclusion, the results point out microscopic material grains in the metallic free layer as the reason behind the nonlinear frequency versus current behavior and multiple propagating spin wave modes and thereby as a source of device-to-device variability and frequency instability. / Dagens snabba utveckling inom informationsteknik drivs på av ständigt växande informationsmängder och deras samhällsanvändning inom allt från resursoptimering till underhållning. Utvecklingen möjliggörs till stor del hårdvarumässigt av miniatyrisering och integrering av elektroniska komponenter samt trådlös kommunikation med allt större bandbredd och högre överföringshastighet. Det senare uppnås främst genom utnyttjande av högre radiofrekvenser i teknologiskt tidigare oåtkomliga delar av spektrumet. Frekvensutnyttjandet har det senaste årtiondet ökat markant i mikrovågsområdet med typiska frekvenser runt 2.4 GHz och 5.2-5.8 GHz. I den spinntroniska oscillatorn (STO:n) möjliggörs frekvensgenerering i det breda området från 0.1 GHz upp till över 65 GHz av en komponent med mikrometerstorlek som kan integreras direkt i CMOS-mikrochip. Till skillnad från i konventionella radiokretsar med oscillatorer konstruerade av integrerade transistorer och spolar, genereras mikrovågsfrekvensen direkt i STO:ns magnetiska material och omvandlas därefter till en elektrisk signal genom komponentens magnetoresistans. Dessa materialegenskaper möjliggör ett tillgängligt frekvensband med extrem bredd i en och samma STO, som därtill kan frekvensmoduleras direkt genom sin styrström och på så sätt förenklar konstruktionen av sändarsystem. STO:ns icke-linjära egenskaper kan potentiellt också användas för att i en och samma komponent blanda ned mottagna mikrovågssignaler och på så sätt förenkla konstruktionen även av mikrovågsmottagare. STO:ns signalegenskaper bestäms av det magnetiska materialets fysik i form av magnetiseringsdynamik driven av elektriskt genererade spinnströmmar. I denna avhandling studeras denna dynamik experimentellt med särskilt fokus på frekvensstabiliteten i den hittills mest stabila STO-typen; nanokontakts-STO:n. Genom mätningar i tidsdomän av STO:ns elektriska signaler runt 25 GHz har frekvensstabiliteten funnits hänga samman med den typ av icke-linjärt beteende som också funnits vara utmärkande för tillverkningsvariationen i komponenterna. Mikroskopiska undersökningar av materialet visar att en trolig källa till denna variation är den magnetiska metallens uppbyggnad i form av korn i storleksordningen 30 nm, och datorsimuleringar av en sådan materialstruktur har visats kunna reproducera de experimentella resultaten. Därtill har en metod utvecklats för att med röntgenstrålning direkt mäta de små, magnetiska mikrovågsrörelserna i materialet. Denna röntgenteknik möjliggör detaljerade experimentella studier av magnetiseringsdynamiken och kan användas för att verifiera och vidareutveckla den existerande teorin för mikrovågsspinntronik. Sammantaget förs STO-teknologin genom denna studie ett steg närmare sina tänkbara samhällsbreda tillämpningar inom snabb, trådlös kommunikation för massproducerade produkter med integrerad sensor- och datorfunktionalitet. / <p>QC 20160620</p>

L'objectif de cette thèse est le contrôle, par un champ magnétique, de la structure interne d'une paroi de domaines. Nous avons sélectionné le cas d'une paroi de<br />Bloch asymétrique, que nous avons étudié dans un système modèle : des plots épitaxiés autoassemblés de Fe(110). Nous avons mis en évidence la possibilité de procéder au retournement accompagné d'un phénomène d'hystérésis magnétique d'un des degrés de liberté internes, le sens des domaines de fermeture de Néel qui terminent la paroi à chaque surface. Ceci a été observé à rémanence après aimantation et de manière statistique par microscopie magnétique XMCD-PEEM, en accord quantitatif avec des simulations micromagnétiques. Des résultats préliminaires de la mise en évidence directe sous champ magnétique ont été obtenus par microscopie de Lorentz. Une étude sous champ et en température a été menée par magnéto-transport sur des plots individuels. Pour ce faire, un procédé de contactage de plots individuels par lithographie électronique a été développé. En complément mais sur le même système expérimental, nous avons étudié comment s'opère la transition entre une paroi magnétique (2D) et un vortex magnétique (0D), que nous avons montré être de second ordre. La transition et les fluctuations stochastiques entre une paroi et un vortex ont été mises en évidence par microscopie de Lorentz.

The antiferromagnetic coupling between a rare-earth (RE) and a tran- sition metal (TM) ferromagnet can be exploited to engineer normal state and superconducting functional devices. RE/TM ferromagnetic multi- layers were previously used as spin-mixers to generate spin-triplet su- percurrents. This was possible due to magnetic inhomogeneity present in the devices, however the precise nature of the inhomogeneity was not understood. Here we present a comprehensive study of the Ni/Gd/Ni system using a powerful element-specific measurement technique: x-ray magnetic circular dichroism. In order to analyse the experimental results we present a novel model based on the Stoner-Wohlfarth model, which shows that significant inhomogeneity exists at the Ni/Gd interfaces due to the competition between the exchange energies within the system and the Zeeman energy of the applied magnetic field. The experiment and model together provide a complete overview of the Ni/Gd/Ni system due to the breadth of temperatures and thicknesses studied. The knowledge gained from this work is then applied to designing and test- ing new spin valves based on the intrinsic inhomogeneity at the RE/TM interface, and both Ni/Gd- and Gd/Ho-based devices show reversible magnetic switching behaviour which alters the superconducting critical temperature.