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In der Magnetpartikel-Sonographie (engl. magnetomotive ultrasound) werden magnetische Nanopartikel als Ultraschall-Kontrastmittel verwendet. Dabei wurde oft eine statische lineare Magnetisierungscharakteristik modelliert. Zunächst wird dargelegt, dass mit der Berücksichtigung nichtlinearer dynamischer Magnetisierungseffekte in der Sonographie bisher nicht zugängliche Gewebeparameter prinzipiell über die magnetische Partikelmobilität ermittelt werden können. Da die Nanopartikel in der Sonographie über eine magnetisch induzierte Gewebebewegung abgebildet werden, wird auch die Wirkung einer harmonischen Gewebebewegung auf Ultraschalldaten untersucht. Erkenntnisse werden dazu genutzt, einen phasenbasierten Bewegungsschätzer zu optimieren. Des Weiteren wird erstmals ein therapeutisches Ultraschallsystem in die Magnetpartikel-Bildgebung MPI integriert, sodass schließlich die Temperatur bei Gewebeerhitzung durch therapeutischen Ultraschall mit der Magnetpartikel-Bildgebung gemessen wird. In magnetomotive ultrasound, magnetic nanoparticles are used as ultrasound contrast agents. A static linear magnetization characteristic has often been assumed for modeling purposes. First, it is argued that with the consideration of dynamic nonlinear magnetization effects, previously inaccessible tissue parameters can, in principle, be determined via the magnetic particle mobility in sonography. Since nanoparticles are imaged in sonography via a magnetically induced tissue motion, the effect of harmonic tissue motion on ultrasound data is investigated. Findings are used to optimize a phase-based motion estimator. Furthermore, a therapeutic ultrasound system is integrated into a magnetic particle imaging device (MPI) for the first time, so that the temperature during tissue heating by therapeutic ultrasound is measured with magnetic particle imaging.

Diese Arbeit stellt eine systematische experimentelle Untersuchung der magnetischen Relaxationseffekte in Eisen-dotiertem Lithiumnitrid (Li3-xFexN) dar. Der Fokus liegt dabei auf der Analyse von Proben mit sehr geringer Dotierung (x<

The emergence of complex behavior out of simple elementary building blocks is a typical property of condensed matter systems. While the individual constituents may be well-studied, strongly interacting many-particle systems can give rise to novel collective behavior that can not be understood by considering the individual properties alone. Effective models are a powerful tool to handle this complexity: Instead of aiming at a full description a complex many-particle system on the high-energy scale, an effective model covers only those degrees of freedom which are essential for the low-energy physics. While the high-energy degrees of freedom are integrated out, they influence the low-energy degrees of freedom due to a renormalization of the effective coupling constants. In particular, the concept of the quasi-particle allows for the description of a strongly-interacting many-particle excitations in terms of a simple objects with similar degrees of freedom as a dispersive elementary particle, which gives rise to phenomena like quasi-particle bound states or quasi-particle decay. This thesis aims at the application and methodological improvement of a systematic and well-controlled framework to derive effective low-energy models, denoted as Continuous Unitary Transformations (CUT). In this method, a Hamiltonian is mapped continuously to an effective basis, in which the low-energy degrees of freedom can be interpreted as quasi-particles. Mathematically, the transformation is parametrized by a flow parameter and is represented as a differential equation, denoted as flow equation, while the direction of the transformation is controlled by the generator scheme. As foundation of our studies, we use the sCUT method, in which the types of possible interaction terms are fixed by a truncation scheme. In a common project, we established a new flavor of CUT, called epCUT. It allows us to derive the effective Hamiltonian in a perturbation series. In contrast to the already existent pCUT method, epCUT can handle system with a non-equidistant spectrum as well. Moreover, we discovered the deepCUT method, the non-perturbative twin of epCUT. While it bears large similarities to sCUT, it replaces the cumbersome definition of an appropriate truncation scheme by the order of the flow equation system. Compared to sCUT, deepCUT offers a larger robustness while the ambiguities of the truncation scheme are eliminated. My contribution comprises the computational, parallelized construction of the flow equation system as well. In another project, we investigated the breakdown of the conventional, particle-sorting generator schemes in system with strongly overlapping quasi-particle sub-spaces and identified the emergence of a spectrum unbounded from below due to truncation errors as origin of the divergence. As a testing ground, we used a system of two coupled bosonic degrees of freedom. To overcome these problems, we developed a family of three novel variational generator schemes, denoted as scalar, vectorial and tensorial optimization. After this, we investigated the dimerized, two-dimensional S=1/2 Heisenberg model with an emphasis on the quantum phase transition between a magnetically disordered and a magnetically ordered phase using sCUT. Parametrizing the starting point by a variational parameter, we were able to describe the spontaneous breaking of the SU(2) spin symmetry by CUT for the first time. We were able to calculate the ground state energy and the dispersion of triplons, and magnons, respectively, in both phases. However, we were not able to provide quantitative results for the spontaneous magnetization. Furthermore, we found a way to derive an optimal starting point for the integration of the flow equations that is independent on the particularities of the model and does not require a parametrization by a variational parameter. As a further application, we analyzed the S=1 Heisenberg chain by means of deepCUT. To this end, we mapped the system to an extended S=1/2 Heisenberg ladder with the help of a variational parameter. Using the variational generator schemes developed before, we were able to decouple the low-energy spectrum and to calculate spectral densities. In this investigation, we found an indication for a S=0 bound state. Furthermore, we were able to find some signs of spontaneous quasi-particle decay, but a quantitatively correct description is pending., Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile - so ließe sich das Grundproblem der Physik kondensierter Materie in aller Kürze zusammenfassen. Auch wenn das Verhalten aller Grundbausteine im Detail bekannt ist, so können sich durch starke Wechselwirkungen vieler Teilchen untereinander neuartige, kollektive Phänomene ergeben, die sich durch das Studium der einzelnen Bestandteile nur schwerlich verstehen. Einen Ausweg aus dieser Problematik bieten effektive Modelle: Anstatt ein komplexes System mit vielen Freiheitsgraden auf hohen Energieskalen vollständig zu beschreiben, bildet ein effektives Modell nur die Freiheitsgrade ab, die bei niedrigen Energien wichtig sind. Hochenergetische Freiheitsgrade werden aus dem effektiven Modell weggelassen, ihre indirekten Auswirkungen auf niedrige Energien aber durch modifizierte, effektive Wechselwirkungen berücksichtigt. Als besonders hilfreich hat sich in der Festkörperphysik das Modell des Quasiteilchens erwiesen: Eine Anregung eines Systems vieler, stark wechselwirkender Teilchen wird durch ein Objekt beschrieben, das sich wie ein einzelnes Elementarteilchen bewegen, Bindungen eingehen und zerfallen kann. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Einsatz und der Verbesserung eines Verfahrens zur systematischen, kontrollierten Ableitung effektiver Niederenergiemodelle: Die Methode der kontinuierlichen, unitären Transformationen (englisch: Continuous Unitary Transformations, CUT). Hierbei wird der Hamiltonoperator eines physikalischen Systems kontinuierlich durch Lösen einer Differentialgleichung, der Flussgleichung, in eine effektive Darstellung überführt, bei der die Niederenergiefreiheitsgrade als Quasiteilchen interpretiert werden können. Die Art der Transformation wird hierbei über das Generatorschema der CUT gesteuert. Als Näherung geht in der sCUT (selbstähnliche CUT, englisch: self-similar CUT), der hier als Grundlage dienenden Variante, das Trunkierungsschema ein. Als methodische Verbesserung wurde in einem gemeinsamen Projekt eine neue Variante der CUT, genannt (erweiterte perturbative CUT, englisch: enhanced perturbative CUT), etabliert, die eine Beschreibung des effektiven Hamiltonoperators des Systems als Reihe im Sinne einer Störungsrechnung bis zu einer vorgegebenen erlaubt. Dieser Ansatz ist allgemeiner als die bereits existierende pCUT Methode (perturbative CUT, englisch: perturbative CUT), da sich auch Systeme mit nicht äquidistantem Energiespektrum behandeln lassen. Darüber hinaus wurde mit deepCUT (direkt ausgewertete epCUT, englisch: directly evaluated epCUT) eine verwandte, nichtperturbative Methode entdeckt, die der sCUT ähnelt, aber das komplizierte Trunkierungsschema durch die Ordnung im Sinne einer epCUT-Rechnung ersetzt. Die deepCUT zeichnet sich hierbei gegenüber der sCUT durch eine höhere Robustheit und geringere Mehrdeutigkeit aus. Einen besonderen Anteil meiner Arbeit nahm hierbei die rechnergestützte, parallelisierte Implementierung des Aufstellens der Flussgleichungen. In einem weiteren Projekt wurde das Versagen der bisher üblichen teilchensortierenden Generatoren in Systemen mit stark überlappenden Quasiteilchenräumen untersucht und das Auftreten eines zu niedrigen Energien unbeschränkten Spektrums als Ursache festgestellt. Als Beispielsystem dienten hierbei zwei gekoppelte bosonische Freiheitsgrade. Daraufhin entwickelten wir eine Familie aus drei neuartigen Generatorschemata, die skalare, vektorielle und tensorielle Optimierung, die diese Probleme umgehen. Danach untersuchten wir das dimerisierte, zweidimensionale S=1/2 Heisenberg mit besonderem Schwerpunkt auf dem Quantenphasenübergang zwischen der magnetisch ungeordneten und der magnetisch geordneten Phase mittels sCUT. Durch Parametrisierung des Startpunktes mit einem Variationsparameter gelang uns erstmals die Beschreibung der spontanen Brechung der kontinuierlichen SU(2) Spinsymmetrie mittels CUT. Wir konnten die Grundzustandsenergie und die Disperisionsrelationen der Triplonen und Magnonen in beiden Phasen bestimmen, erhielten jedoch keine zufriedenstellenden Resultate für die spontane Magnetisierung. Ferner entwickelten wir in einem verwandten, eindimensionalen System ein Verfahren, um modellunabhängig und ohne Parametrisierung durch einen Variationsparameter einen optimalen Startzustand zu wählen. Als weitere Anwendung analysierten wir die S=1 Heisenbergkette mittels deepCUT. Hierzu bildeten wir das System unter Einführung eines Variationsparameters auf eine S=1/2 Heisenbergkette ab. Unter Verwendung der zuvor entwickelten variationellen Generatorschemata gelang uns trotz des starken Überlapps zwischen Zwei- und Dreiteilchenraum die Entkopplung des Niederenergiespektrums und die Berechnung spektraler Dichten. Wir fanden hierbei Anhaltspunkte für einen gebundenen S=0 Zustand. Weiterhin konnten wir wichtige Merkmale für den Zerfall eines Triplons in zwei Triplonen nachweisen; eine vollständige und quantitative Beschreibung steht jedoch noch noch aus.

This thesis is a detailed study of the magnetic, structural and orbital order parameters of the candidate multiferroic material LuFe2O4. Multiferroic oxides with a strong magnetoelectric coupling are of high interest for potential information technology applications, but they are rare because the traditional mechanism of ferroelectricity is incompatible with magnetism. Consequently, much attention is focused on various unconventional mechanisms of ferroelectricity. Of these, ferroelectricity originating from charge ordering (CO) is particularly intriguing because it potentially combines large electric polarizations with strong magneto-electric coupling. However, examples of oxides where this mechanism occurs are exceedingly rare and none is really well understood. LuFe2O4 is often cited as the prototypical example of CO-based ferroelectricity. In this material, the order of Fe valences has been proposed to render the triangular Fe/O bilayers polar by making one of the two layers rich in Fe2+ and the other rich in Fe3+, allowing for a possible ferroelectric stacking of the individual bilayers. Because of this new mechanism for ferroelectricity, and also because of the high transition temperatures of charge order and ferro magnetism LuFe2O4 has recently attracted increasing attention. Although these polar bilayers are generally accepted in the literature for LuFe2O4, direct proof is lacking. An assumption-free experimental determination of whether or not the CO in the Fe/O bilayers is polar would be crucial, given the dependence of the proposed mechanism of ferroelectricity from CO in LuFe2O4 on polar bilayers. This thesis starts with a detailed characterization of the macroscopic magnetic properties, where growing ferrimagnetic contributions observed in magnetization could be ascribed to increasing oxygen off-stoichiometry. The main focus is on samples exhibiting a sharp magnetic transition to long-range spin order accompanied by a low temperature phase transition into a phase with glassy magnetic dynamics. It is proposed that this magnetic behavior best approximates the intrinsic defectfree behavior of LuFe2O4. The spin structures of the long-range ordered phases could be refined properly by neutron diffraction as antiferromagnetic (AFM) and ferrimagnetic (fM) spin alignments. The two solutions exhibit a simple geometrical relation, where all spins in half of the bilayers change their sign. Furthermore, it is demonstrated that at the Néel Temperature and H=0 competing AFM and fM spin structures, which correspond respectively to ferro and antiferro stacking of equivalently ordered bilayers, are nearly degenerate. The observation of diffuse magnetic scattering in neutron diffraction far above the Néel Temperature indicates the random stacking of still individually ferrimagnetic ordered bilayers. The first crystal structural refinement, taking into account the superstructure due to the CO in LuFe2O4, was performed on these stoichiometric samples with the help of a monoclinic unit-cell and the C2/m symmetry. By clearly identifying the positions of Fe2+ and Fe3+ valences in this structure with the Bond Valence Sum (BVS) analysis, a completely new and unexpected CO pattern with charged Fe/O bilayers emerges. This new CO arrangement with charged, and consequently nonpolar, bilayers is in strong contrast to all previously suggested CO configurations with polar bilayers. The implications of this result on “ferroelectricity from CO” in LuFe2O4 are discussed, addressing the possibility of polarizing the charged bilayers by an external electric or magnetic field, which could not be verified for our samples. In summary, a possible ferroelectric behavior of LuFe2O4 from CO is very unlikely. This is discussed in the light of the so far published work, where some doubt about the “ferroelectricity from CO” scenario is already present. It is worth emphasizing that although the AFM-fM meta-magnetism has not been reported previously and may not be resolvable in the majority of LuFe2O4 samples; our results have strong implications for the general nature of magnetism in this material.Additionally, x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) measurements are presented which could link the novel CO configuration with the previously determined spin order, further corroborating both the new CO pattern established by x-ray diffraction and the spin structures refined by neutron diffraction. Finally, the relevance of the strict spin-charge coupling to the CO transition is addressed and the possibility of an orbital ordered state in the low temperature phase is discussed.

Charakteristisch für Perlcellulose als Regenerat vom Typ Cellulose II sind sphärisch geformte, poröse Partikel mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einer guten Bioverträglichkeit. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind diese Cellulosemikropartikel besonders gut für medizinische Anwendungen geeignet. Im Mittelpunkt der Arbeit standen Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Perlcellulosen mit Partikelgrößen von etwa 1 bis10 µm. Im Rahmen der Arbeit wurden zunächst sieben technische Cellulose-2,5-acetate mit vergleichbaren molekularen Eigenschaften auf ihre Eignung zur Herstellung von Perlcellulose nach dem in EP0750007 beschriebenen Acetatverfahren untersucht. Dabei erfolgte der Vergleich verschiedener Eigenschaften. Aus allen untersuchten Celluloseacetaten können Perlcellulosen synthetisiert werden. Als besonders geeignet erwies sich ein Produkt mit einer Molmasse von über 100.000, einem Verhältnis der Molmasse zur numerischen Molmasse von etwa 1,5 und einer guten Löslichkeit in Ethylacetat / Methanol (100:17,5). Die hergestellte Perlcellulose hat eine geringe Partikelgröße und eine relativ enge Größenverteilung. Damit erfüllt dieses Cellulose-2,5-acetat alle Anforderungen für die Synthese von Perlcellulose. Der entscheidende Verfahrensschritt zur Herstellung von Perlcellulose ist das Dispergieren der Emulsion mittels Inline-Ultraturrax. Die Partikelgrößenverteilung hängt im Wesentlichen von den Bedingungen während des Dispergierens ab. Im Rahmen der Arbeit gelang die reproduzierbare Herstellung von Cellulosemicrospheres mit einer Partikelgröße unter 5 µm. Für die Herstellung von Cellulosemikropartikeln mit definierten Eigenschaften ist neben den Synthesebedingungen auch die Charakterisierung der Perlcellulosen von entscheidender Bedeutung. Dafür wurden zunächst etablierte Verfahren verwendet (Partikelgrößenmessung, REM und Quecksilberporosimetrie). Parallel dazu erfolgte die Entwicklung bzw. Einführung neuer Methoden. Im Vordergrund stand die Untersuchung des Sedimentationsverhaltens der Perlcellulosen durch analytisches Zentrifugieren. Davon ausgehend konnte ein Verfahren zur Berechnung der Porosität aus dem Sedimentationsvolumen entwickelt werden. Zum Nachweis der kompletten Deacetylierung der Proben wurde die Ramanspektroskopie genutzt. Durch die Anwendung vorhandener und die Entwicklung neuer Methoden wird die genaue Einstellung von Eigenschaften der Perlcellulosen (z. B. Partikelgröße und deren Verteilung, Morphologie sowie Porosität) ermöglicht und deren Reproduzierbarkeit gewährleistet. Weitere Versuche hatten die Entwicklung von Endotoxinadsorbermaterial auf Basis von Perlcellulose und Polymyxin-B-sulfat (PMB) zum Ziel. Die Kopplung des PMB erfolgte meist nach Aktivierung der Proben mit Epichlorhydrin. Zunächst wurde die eingesetzte Epichlorhydrinmenge variiert, um das Optimum für die Aktivierung der Perlcellulosen zu finden. Weiterhin wurden unterschiedliche Mengen PMB angebunden und die Anbindung an nicht aktivierte Proben untersucht. Die Planung aller Versuche erfolgte jeweils nach Auswertung der an der Donau-Universität Krems durchgeführten Limulus- Amöbocyten- Lysat (LAL)-Tests. Mittels dieser Batchtests wurde die Wirksamkeit des Endotoxinadsorbermaterials sowohl im Vergleich zu unbehandeltem Blutplasma und als auch zu kommerziell erhältlichen Adsorbern auf Polystyrenbasis getestet. Endotoxinadsorber, die bei diesen Tests besonders gut bewertet wurden, konnten in einem up-scale- Versuch erstmals in größeren Mengen synthetisiert werden. Auch die direkte Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial aus Perlcelluloseacetat konnte realisiert werden. Bei diesem neu entwickelten Verfahren erfolgen Deacetylierung und Aktivierung in einem Schritt. Damit kann die Herstellung vereinfacht werden. Zur Gewährleistung der Erstfehlersicherheit in extrakorporalen Blutreinigungssystemen sollen magnetisierte Perlcellulosepartikel als bioverträgliche Marker eingesetzt werden. Versuche zur Magnetisierung von Cellulosemikropartikeln während des Herstellungsprozesses zeigten, dass die Einbindung von Magnetit bei Erhalt der sphärischen Partikelstruktur prinzipiell auch auf diesem homogenen Syntheseweg möglich ist.:1. EINLEITUNG 3 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 5 2.1 CELLULOSE 5 2.1.1 Molekulare Struktur 7 2.1.2 Morphologische Struktur 9 2.1.3 Polymorphie 9 2.1.3.1 Native Cellulose 11 2.1.3.2 Weitere Cellulosemodifikationen 12 2.1.3.3 Umwandlung von Cellulose I in Cellulose II 13 2.1.4 Aktivierung 15 2.2 CELLULOSEACETAT 17 2.2.1 Herstellung 17 2.2.1.1 Technische Herstellung 18 2.2.1.2 Homogene Herstellungsmethoden 19 2.2.2 Eigenschaften und Charakterisierung 20 2.2.3 Verwendung 21 2.3 PERLCELLULOSE 22 2.3.1 Herstellung 23 2.3.1.1 Sprühverfahren 23 2.3.1.2 Suspensionsverfahren 24 2.3.1.3 Acetatverfahren 24 2.3.2 Charakterisierung 26 2.3.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 26 2.3.2.2 Porosität 27 2.2.2.3 Quellwert 28 2.3.2.4 Weitere Methoden 28 2.3.3 Verwendung 30 2.3.3.1 Perlcellulose als Adsorbermaterial 30 2.3.3.2 Adsorption von Endotoxinen 31 2.3.4 Magnetisierung 36 2.3.4.1 Einsatz und Herstellung magnetischer Partikel 36 2.3.4.2 Einbindung von Magnetit in Perlcellulose 39 3. HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE 41 3.1 CELLULOSEACETAT ALS AUSGANGSSTOFF FÜR DIE SYNTHESE VON PERLCELLULOSE 41 3.1.1 Charakterisierung von Celluloseacetaten 41 3.1.1.1 Löslichkeit 41 3.1.1.2 Trübungsmessungen 42 3.1.1.3 Molmassenverteilung 44 3.1.1.4 Verteilung der Substituenten 45 3.1.1.5 Bestimmung des Substitutionsgrades mittels NMR und SEC 46 3.1.2 Einfluss der Celluloseacetate auf die Eigenschaften der Perlcellulose 47 3.1.2.1 Herstellung der Perlcellulosen 47 3.1.2.2 Messung der Partikelgröße 48 3.1.2.3 Charakterisierung der Perlcellulosen mittels Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.3 Schlussfolgerungen 51 3.2 HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE MIT DEFINIERTEN EIGENSCHAFTEN 52 3.2.1 Bildung der Celluloseperlen 52 3.2.2 Dispergieren im Inline- Ultraturrax 54 3.2.2.1 Einfluss der Drehzahl 54 3.2.2.2 Mehrfaches Dispergieren 56 3.2.2.3 Geschwindigkeit der Schlauchpumpe 58 3.2.2.4 Vergleich der Ergebnisse 59 3.2.3 Zusammensetzung der Emulsion 60 3.2.3.1 Salzgehalt 61 3.2.3.2 Methylcellulosekonzentration 62 3.2.3.3 Ethylacetatkonzentration 63 3.2.3.4 Tensidgehalt 65 3.2.3.5 Gleichzeitige Veränderung mehrerer chemischen Parameter 66 3.2.4 Aufbereitung des Perlcelluloseacetats 68 3.2.4.1 Abrotieren der Lösungsmittel 68 3.2.4.2 Reinigung und Deacetylierung 69 3.2.5 Standardbedingungen 69 4. CHARAKTERISIERUNG VON PERLCELLULOSEN 70 4.1 PARTIKELGRÖßENMESSUNG 70 4.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE 70 4.3 QUECKSILBERPOROSIMETRIE 71 4.4 SEDIMENTATIONSVERHALTEN 73 4.4.1 Sedimentationsgeschwindigkeit 73 4.4.2 Berechnung der mittleren Teilchengröße 79 4.4.3 Sedimentationsvolumen 82 4.5 BESTIMMUNG DER POROSITÄT AUS DEM SEDIMENTATIONSVOLUMEN 83 4.5.1 Porositätsuntersuchungen an einer analytischen Multiprobenzentrifuge 83 4.5.2 Porositätsuntersuchungen an einer Laborzentrifuge 84 4.5.3 Vergleich der ermittelten Porositätswerte 85 4.6 RAMANSPEKTROSKOPIE 87 5. PERLCELLULOSE ALS ENDOTOXINADSORBERMATERIAL 88 5.1 ENTWICKLUNG VON ENDOXINADSORBERN AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 88 5.1.1 Aktivierung von Perlcellulose 88 5.1.2 Anbindung von Polymyxin-B-Sulfat 90 5.2 CHARAKTERISIERUNG UND OPTIMIERUNG DES ENDOTOXINADSORBERMATERIALS 90 5.3 UP- SCALE- VERSUCH 96 5.4 WEITERE VERSUCHE MIT PERLCELLULOSE 98 5.5 ANBINDUNG VON PMB AN PERLCELLULOSEACETAT 102 5.6 BEWERTUNG UND AUSBLICK 107 6. MAGNETISCHE MARKERPARTIKEL AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 109 6.1 HOMOGENE EINBINDUNG VON MAGNETIT IN PERLCELLULOSE 109 6.1.1 Auswahl des Dispergiergerätes 111 6.1.2 Optimierung der BUT- Drehzahl und der Dispergierzeit 112 6.1.3. Versuche mit Methylcellulose als Schutzkolloid 120 6.2 CHARAKTERISIERUNG DER MAGNETISIERTEN PERLCELLULOSEPARTIKEL 122 6.2.1 Partikelgröße 122 6.2.2 Rasterelektronenmikroskopie 124 6.2.3 Energiedispersive Röntgenmikroanalyse 126 6.2.4 Bestimmung des Eisengehaltes mittels AAS 128 6.2.5 Magnetische Messungen 129 6.3 BEWERTUNG DER BISHERIGEN ERGEBNISSE 130 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 132 8. EXPERIMENTELLES 135 8.1 CHEMIKALIEN 135 8.2 METHODISCHES 135 8.3 PRÄPARATIONSVORSCHRIFTEN UND ARBEITSANLEITUNGEN 136 8.3.1 Herstellen der Ausgangslösungen 136 8.3.2 Herstellung der Perlcellulosen 137 8.3.2.1 Herstellung des Perlcelluloseacetates 137 8.3.2.2 Deacetylierung des Perlcelluloseacetates 138 8.3.3 Aktivierung von Perlcellulosen 138 8.3.4 Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial 138 8.3.5 Magnetitanbindung 139 LITERATUR 140 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 152 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 154 TABELLENVERZEICHNIS 158 Bead cellulose is regenerated cellulose II characterized by spherically shaped, porous particles with a high specific surface and a good biocompatibility. Because of their properties these cellulose microspheres are especially suited for medical applications. The focus of this work was the synthesis, characterization and modification of bead cellulose with particle sizes between 1 to 10 µm. In the frame of this work seven technical cellulose-2.5-acetates were investigated with regard to their suitability for making bead cellulose according to the process described in EP0750007. These cellulose acetates have comparable molecular characteristics. Different properties were compared. Bead celluloses can be synthesized from all investigated cellulose acetates. A product with a molecular weight of more than 100,000 and with a ratio between molecular weight and numeric molecular weight of about 1.5 is special suited. This cellulose-2.5-acetate has a good solubility in ethyl acetate / methanol (100:17.5). The bead cellulose made from it has a low particle size and a relative narrow size distribution. Thus this cellulose acetate complies with the requirements for making bead cellulose. The most important process step for making bead cellulose is the dispersing of the emulsion using an inline-ultraturrax. The distribution of particle size depends mainly on the conditions during dispersing. A reproducible synthesis of cellulose microspheres with a particle size range below 5 µm was successfully achieved. In addition to determining conditions for manufacturing bead cellulose the characterization of the microspheres is essential to obtain bead cellulose with well defined properties. At first well-established methods of characterization were used (particle size measurement, SEM and mercury porosimetry). In parallel new methods were developed and implemented. The main focus was the investigation of sedimentation behaviour of bead cellulose using analytical centrifugation. Based on this knowledge of the sedimentation volume a new method to calculate the porosity was designed. Raman spectroscopy was used for detecting the complete deacetylation of the samples. By using well-established and newly developed methods properties of bead cellulose such as particle size and distribution, morphology and porosity can be accurately adjusted. In this way the reproducible synthesis of cellulose microspheres can be ensured. The aim of further experiments was to develop an endotoxin adsorber material based on a coupling of bead cellulose with Polymyxin B sulfate (PMB). The coupling with PMB was carried out after activation of the samples by using epichlorohydrin. At first the added epichlorohydrin amount was diversified in order to find the optimum for the activation of bead cellulose. Later the coupling of different amounts of PMB took place and the linking of PMB to non activated samples was investigated too. The planning of all experiments occurred after evaluation of Limulus amebocyte lysate (LAL) tests at Danube-University Krems. Using these batch tests the effectiveness of the endotoxin adsorber material was tested compared to untreated blood plasma as well as commercial available adsorbers based on polystyrene. Endotoxin adsorbers showing the best adsorption rate were then synthesized for the first time in larger quantities. Also the direct synthesis of endotoxin adsorber material based on bead cellulose acetate could be realized. Using this newly developed method, deacetylation and activation occur during the same step. This means manufacturing process can be simplified. Using magnetized bead cellulose as biocompatible marker particles is planned to achieve first fault safety in case of a membrane rupture during extracorporeal blood purification. Initial tests have shown that the magnetization of cellulose microspheres is possible during the manufacturing process. The incorporation of magnetite can be realized while keeping the spherical shape of the particles using this homogenous synthesis pathway.:1. EINLEITUNG 3 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 5 2.1 CELLULOSE 5 2.1.1 Molekulare Struktur 7 2.1.2 Morphologische Struktur 9 2.1.3 Polymorphie 9 2.1.3.1 Native Cellulose 11 2.1.3.2 Weitere Cellulosemodifikationen 12 2.1.3.3 Umwandlung von Cellulose I in Cellulose II 13 2.1.4 Aktivierung 15 2.2 CELLULOSEACETAT 17 2.2.1 Herstellung 17 2.2.1.1 Technische Herstellung 18 2.2.1.2 Homogene Herstellungsmethoden 19 2.2.2 Eigenschaften und Charakterisierung 20 2.2.3 Verwendung 21 2.3 PERLCELLULOSE 22 2.3.1 Herstellung 23 2.3.1.1 Sprühverfahren 23 2.3.1.2 Suspensionsverfahren 24 2.3.1.3 Acetatverfahren 24 2.3.2 Charakterisierung 26 2.3.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 26 2.3.2.2 Porosität 27 2.2.2.3 Quellwert 28 2.3.2.4 Weitere Methoden 28 2.3.3 Verwendung 30 2.3.3.1 Perlcellulose als Adsorbermaterial 30 2.3.3.2 Adsorption von Endotoxinen 31 2.3.4 Magnetisierung 36 2.3.4.1 Einsatz und Herstellung magnetischer Partikel 36 2.3.4.2 Einbindung von Magnetit in Perlcellulose 39 3. HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE 41 3.1 CELLULOSEACETAT ALS AUSGANGSSTOFF FÜR DIE SYNTHESE VON PERLCELLULOSE 41 3.1.1 Charakterisierung von Celluloseacetaten 41 3.1.1.1 Löslichkeit 41 3.1.1.2 Trübungsmessungen 42 3.1.1.3 Molmassenverteilung 44 3.1.1.4 Verteilung der Substituenten 45 3.1.1.5 Bestimmung des Substitutionsgrades mittels NMR und SEC 46 3.1.2 Einfluss der Celluloseacetate auf die Eigenschaften der Perlcellulose 47 3.1.2.1 Herstellung der Perlcellulosen 47 3.1.2.2 Messung der Partikelgröße 48 3.1.2.3 Charakterisierung der Perlcellulosen mittels Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.3 Schlussfolgerungen 51 3.2 HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE MIT DEFINIERTEN EIGENSCHAFTEN 52 3.2.1 Bildung der Celluloseperlen 52 3.2.2 Dispergieren im Inline- Ultraturrax 54 3.2.2.1 Einfluss der Drehzahl 54 3.2.2.2 Mehrfaches Dispergieren 56 3.2.2.3 Geschwindigkeit der Schlauchpumpe 58 3.2.2.4 Vergleich der Ergebnisse 59 3.2.3 Zusammensetzung der Emulsion 60 3.2.3.1 Salzgehalt 61 3.2.3.2 Methylcellulosekonzentration 62 3.2.3.3 Ethylacetatkonzentration 63 3.2.3.4 Tensidgehalt 65 3.2.3.5 Gleichzeitige Veränderung mehrerer chemischen Parameter 66 3.2.4 Aufbereitung des Perlcelluloseacetats 68 3.2.4.1 Abrotieren der Lösungsmittel 68 3.2.4.2 Reinigung und Deacetylierung 69 3.2.5 Standardbedingungen 69 4. CHARAKTERISIERUNG VON PERLCELLULOSEN 70 4.1 PARTIKELGRÖßENMESSUNG 70 4.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE 70 4.3 QUECKSILBERPOROSIMETRIE 71 4.4 SEDIMENTATIONSVERHALTEN 73 4.4.1 Sedimentationsgeschwindigkeit 73 4.4.2 Berechnung der mittleren Teilchengröße 79 4.4.3 Sedimentationsvolumen 82 4.5 BESTIMMUNG DER POROSITÄT AUS DEM SEDIMENTATIONSVOLUMEN 83 4.5.1 Porositätsuntersuchungen an einer analytischen Multiprobenzentrifuge 83 4.5.2 Porositätsuntersuchungen an einer Laborzentrifuge 84 4.5.3 Vergleich der ermittelten Porositätswerte 85 4.6 RAMANSPEKTROSKOPIE 87 5. PERLCELLULOSE ALS ENDOTOXINADSORBERMATERIAL 88 5.1 ENTWICKLUNG VON ENDOXINADSORBERN AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 88 5.1.1 Aktivierung von Perlcellulose 88 5.1.2 Anbindung von Polymyxin-B-Sulfat 90 5.2 CHARAKTERISIERUNG UND OPTIMIERUNG DES ENDOTOXINADSORBERMATERIALS 90 5.3 UP- SCALE- VERSUCH 96 5.4 WEITERE VERSUCHE MIT PERLCELLULOSE 98 5.5 ANBINDUNG VON PMB AN PERLCELLULOSEACETAT 102 5.6 BEWERTUNG UND AUSBLICK 107 6. MAGNETISCHE MARKERPARTIKEL AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 109 6.1 HOMOGENE EINBINDUNG VON MAGNETIT IN PERLCELLULOSE 109 6.1.1 Auswahl des Dispergiergerätes 111 6.1.2 Optimierung der BUT- Drehzahl und der Dispergierzeit 112 6.1.3. Versuche mit Methylcellulose als Schutzkolloid 120 6.2 CHARAKTERISIERUNG DER MAGNETISIERTEN PERLCELLULOSEPARTIKEL 122 6.2.1 Partikelgröße 122 6.2.2 Rasterelektronenmikroskopie 124 6.2.3 Energiedispersive Röntgenmikroanalyse 126 6.2.4 Bestimmung des Eisengehaltes mittels AAS 128 6.2.5 Magnetische Messungen 129 6.3 BEWERTUNG DER BISHERIGEN ERGEBNISSE 130 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 132 8. EXPERIMENTELLES 135 8.1 CHEMIKALIEN 135 8.2 METHODISCHES 135 8.3 PRÄPARATIONSVORSCHRIFTEN UND ARBEITSANLEITUNGEN 136 8.3.1 Herstellen der Ausgangslösungen 136 8.3.2 Herstellung der Perlcellulosen 137 8.3.2.1 Herstellung des Perlcelluloseacetates 137 8.3.2.2 Deacetylierung des Perlcelluloseacetates 138 8.3.3 Aktivierung von Perlcellulosen 138 8.3.4 Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial 138 8.3.5 Magnetitanbindung 139 LITERATUR 140 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 152 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 154 TABELLENVERZEICHNIS 158

By implementing the rolled-up microfabrication method based on strain engineering, several systems are investigated within the contents of this thesis. The structural morphing of planar geometries into three-dimensional structures opens up many doors for the creation of unique material configurations and devices. An exploration into several novel microsystems, encompassing various scientific subjects, is made and methods for on-chip integration of these devices are presented. The roll-up of a metal and oxide allows for a cylindrical hollow-core structure with a cladding layer composed of a multilayer stack, plasmonic metamaterial. This structure can be used as a platform for a number of optical metamaterial devices. By guiding light radially through this structure, a theoretical investigation into the system makeup of a rolled-up hyperlens, is given. Using the same design, but rather propagating light parallel to the cylinder, a novel device known as a metamaterial optical fiber is defined. This fiber allows light to be guided classically and plasmonically within a single device. These fibers are developed experimentally and are integrated into preexisting on-chip structures and characterized. A system known as lab-in-a-tube is introduced. The idea of lab-in-a-tube combines various rolled-up components into a single all-encompassing biosensor that can be used to detect and monitor single bio-organisms. The first device specifically tailored to this system is developed, flexible split-wall microtube resonator sensors. A method for the capturing of embryonic mouse cells into on-chip optical resonators is introduced. The sensor can optically detect, via photoluminescence, living cells confined within the resonator through the compression and expansion of a nanogap built within its walls. The rolled-up fabrication method is not limited to the well-investigated systems based on the roll-up from semiconductor material or from a photoresist layer. A new approach, relying on the delamination of polymers, is presented. This offers never-before-realized microscale structures and configurations. This includes novel magnetic configurations and flexible fluidic sensors which can be designed for on-chip and roving detector applications.

In der vorliegenden Arbeit ist eine vorhandene Simulation für elektromagnetische Vorgänge in unendlich langen Leiteranordnungen im zweidimensionalen Querschnitt weiterentwickelt worden. In dem auf der Teilleitermethode basierenden Simulationsprogramm, welches die Magnetisierung ursprünglich mit konstanter Permeabilität berücksichtigt hat, ist das magnetisch nichtlinearen Sättigungsverhalten ferromagnetischer Materialien auch temperaturabhängig bis zur Curietemperatur und höher nachgebildet. Die Teilleitermethode bietet den Vorteil, dass die für die rein elektromagnetische Simulation nicht relevanten Anlagenteile nicht diskretisiert werden müssen. Durch die Diskretisierung sind auch Stromverdrängungserscheinungen modelliert. Eine zusätzliche Simulation des Wärmeflusses, dessen Quellen die ohmschen Verluste der elektromagnetischen Simulation sind, wurde mit der Methode der finiten Elemente implementiert. Die Wärmeflusssimulation berücksichtigt Wärmeleitung, -konvektion und -strahlung, wobei zusätzlich zur Umgebung als äußerste Randlinie nur diejenigen Anlagenteile diskretisiert sein müssen, in denen Wärmeleitung stattfindet. Bis auf einige Ausnahmen sind das in der Regel die Feststoffe. Die Modellierung der Wärmeleitung bildet mit ihrer zu Grunde liegenden Differenzialgleichung den Kern der Wärmeflusssimulation. Wärmestrahlung geht als Randbedingung in das Wärmeleitungsproblem ein. Mit dem Prinzip der Fernwirkung zwischen den beteiligten Oberflächen ist eine Diskretisierung des Zwischenraums nicht nötig. Der Wärmeübergang durch Konvektion in fluidalen Medien geht mit einem Wärmeübergangskoeffizienten als weitere Randbedingung ein. Dieser wird mit Hilfe der Ähnlichkeitstheorie aus einer breiten und bewährten Basis an bekannten dimensionslosen Zusammenhängen für verschiedene Anordnungen berechnet. Das nichtlineare temperaturabhängige Verhalten der fluidalen Stoffwerte ist in der Simulation in jedem Iterationsschritt berücksichtigt. Bei Verwendung der Ähnlichkeitstheorie für die konvektiven Vorgänge ist die Diskretisierung des fluidalen Mediums ebenfalls nicht nötig, was die Modellierung der Gesamtanordnung stark vereinfacht und die Simulationszeit erheblich verkürzt. Bei genügend hohem Diskretisierungsgrad und Erfahrung im Umgang mit konvektiven Vorgängen und dimensionslosen Gleichungen sind Simulationsergebnisse erfahrungsgemäß mit einer Genauigkeit innerhalb weniger Grad Celsius nahe an der Realität möglich. Die elektromagnetische und thermische Simulation sind miteinander gekoppelt und erfolgen stationär oder transient, wobei eine Mischung aus der stationär-elektromagnetischen und transient-thermischen Simulation besonders für Aufwärm- und Abkühlvorgänge interessant ist. Dazu ist in der stationären elektromagnetischen Simulation die magnetische Sättigung durch Effektivwertgleicheit zu den meistens nur als Spitzenwerte verfügbaren Daten nachgebildet. Da der elektromagnetische Simulationskern mit den Teilleitern als diskretisierte Impedanzen rechnet, ist die Impedanzmatrix an den Klemmen der Anordnung ein direktes Ergebnis der Simulation. Es ist als einzelnes Element innerhalb eines Netzes für weitergehende Berechnungen und Simulationen nutzbar. Anhand eines Beispiels wird gezeigt, wie sich magnetische Sättigung in der Stromabhängigkeit der Gesamtimpedanz niederschlägt. Weiterhin wird an einer Schienenanordnung deutlich, wie eine enge magnetische Kopplung zwischen den einzelnen Leitern zu einer eigenartigen Stromverteilung bei Fehlern im Netz führen kann. Bei der Auslegung solcher Betriebsmittel und je nach Zielstellung muss ein Kompromiss zwischen Impedanz, Übertragungsverlusten und Unsymmetriegrad des Drehstromsystems gefunden werden. Mit diesem Simulationsprogramm sind bereits viele elektromagnetische und thermische Problemstellungen an Betriebsmitteln der elektrischen Energieversorgung und anderer ingenieurswissenschaftlicher Disziplinen mit vertretbarem Aufwand simulierbar und lösbar. Oft führen schon erste Abschätzungen und Simulationen verschiedener Varianten sehr nahe ans Ziel oder zeigen Wege auf, die auf Anhieb nicht erkennbar sind. In this dissertation an existing simulation program for electromagnetic phenomena in uniform conductor arrangements modelled in two dimensional cross sections was refined. An existing simulation program was based on the multifilament method (or the method of finite impedances). Originally the simulation program only considered the magnetisation with a constant permeability. It was further refined by modeling the non linear magnetisation of ferromagnetic materials which in addition can also be a non linear function of temperature up to beyond the Curie temperature. The multifilament method has the advantage that for the purely electromagnetic simulation the electromagnetically non active parts do not have to be modeled and discretised. By discretising the electromagnetically active parts, the skin effect is also modeled. The electrical thermal losses as resistive losses of the electromagnetic simulation are the source for a second simulation of the heat flow. This is implemented by using finite elements where heat conduction, convection and radiation are modeled. Only the environment as boundary and only the parts of the arrangement, where heat conduction does take place, are discretised. These materials are normally solids. The differential equation for heat conduction is the core of the heat flow simulation with finite elements. As radiation acts at a distance through a transparent medium or vacuum, the medium does not need to be discretised and radiation is considered as a boundary condition for the heat flow problem. Heat convection in fluid media is modeled by the heat transfer coefficient calculated with the aid of similitude theory from a wide basis of known dimensionless dependencies of similar models. It also forms a boundary condition without the need of discretising the fluid. The nonlinearity in temperature of the fluids is taken care of in each iteration step within the whole simulation. In this way the modeling of the complete problem is simplified and simulation time is saved significantly. With a sufficient degree of discretisation, experience in convection phenomena and dimensionless equations, the simulation results are accurate to within a few degrees Celsius and very close to reality. The electromagnetic and thermal simulation are coupled with each other and can be performed for the transient or steady state. Often the steady state of the electromagnetic problem and the transient state of the thermal problem are the most interesting case for the warming up and cooling down phases for example. Normally the magnetic saturation of materials is described by magnetizing curves of peak values when these are available. However, in this dissertation root mean square magnetizing curves are calculated and used in the steady state electromagnetic simulation. As the electromagnetic simulation part calculates with finite impedances, the impedance matrix at the terminals of the arrangement is a direct result of the simulation. It can therefore be used directly as a single element within an electrical network for further calculation and simulation. An example shows the influence of magnetic saturation on the complete impedance of the arrangement and in particular on its current dependency. A bus bar arrangement is shown in a subsequent example. It shows how a close magnetic coupling between the bars can lead to a curious current distribution in the case of faults. In designing such assemblies and depending on the aim, a compromise needs to be found between minimum impedance, transmission losses and degree of asymmetry of a three phase electrical layout. The developed simulation program now makes it possible to solve many electromagnetic and thermal problems of power system devices with minimum time and effort. Furthermore, problems in other engineering fields may also be solved. Very often a first estimation and simulation of several layouts leads close to the desired result or shows solutions which were not thought of at a first glance.

The present thesis provides an extensive and original contribution to the investigation of magnetic nanoparticles regarding synthesis and structural characterization using advanced scattering methods in all length scales between the atomic and mesoscopic size range. Particular emphasis is on determination of the magnetic structure of single nanoparticles as well as preparation and characterization of higher dimensional assemblies thereof. The unique physical properties arising from the finite size of magnetic nanoparticles are pronounced for very small particle sizes. With the aim of preparing magnetic nanoparticles suitable for investigation of such properties, a micellar synthesis route for very small cobalt nanoparticles is explored. Cobalt nanoparticles with diameters of less than 3 nm are prepared and characterized, and routes for variation of the particle size are developed. The needs and limitations of primary characterization and handling of such small and oxidation-sensitive nanoparticles are highlighted and discussed in detail. Comprehensive structural and magnetic characterization is performed on iron oxide nanoparticles of 10 nm in diameter. Particle size and narrow size distribution are determined with high precision. Investigation of the long range and local atomic structure reveals a particle size dependent magnetite - maghemite structure type with lattice distortions induced at the particle surface. The spatial magnetization distribution within these nanoparticles is determined to be constant in the particle core with a decrease towards the particle surface, thus indicating a magnetic dead layer or spin canting close to the surface. Magnetically induced arrangements of such nanoparticles into higher dimensional assemblies are investigated in solution and by deposition of long range ordered mesocrystals. Both cases reveal a strong dependence of the found structures on the nanoparticle shape (spheres, cubes, and heavily truncated cubes). Nanospheres and nanocubes form closed packed mesocrystals and a short range ordered hard spheres interaction potential in dispersion. In addition, the arrangements of the cuboidal nanoparticles exhibit a strong tendency of face to face oriented attachment, which may result from van der Waals interaction of the cubic facets. Mesocrystals of aged nanocubes with higher degree of truncation reveal a structural transition between the structures of nanocubes and nanospheres.

The diversity of applications in the Internet and the heterogeneity of today's networked platforms make the development of communication protocols complex and time-consuming. This work introduces mechanisms, models, and tools to reduce the complexity and engineering effort required for protocol development and evaluation. It makes the following three key contributions:1. Similarities in protocol mechanisms are extracted into modular building blocks to reduce the complexity of communication system development.2. We introduce a platform abstraction layer to gradually evolve protocol implementations across platforms avoiding frequent reimplementation.3. Automated instrumentation of models with system properties allows to accurately analyzing the time dependent behavior and power consumption of networked devices.

In Kapitel "Alternativer Mechanismus des Vorzeicheneffektes in SFS Josephson-Kontakten" betrachten wir ein einfaches Model des Multi-Domänen S/F/S Systems. Antiparallele Orientierung der Magnetisierung in den Domänen führt zu der räumlichen Modulation der Phasendifferenz. Wegen dieser Modulation kann der kritische Josephson Strom verschiedene Vorzeichen haben. In Kapitel "Ungerade Komponente der Triplet-Supraleitung in einer S/F Struktur mit rotierender Magnetisierung" analysieren wir ein S/F System mit rotierender Magnetisierung in dem Ferromagneten. Wir kalkulieren die weitreichende Triplet-Komponente der Supraleitung, die in den Ferromagneten auf lange Distanzen eindringt. In Kapitel "Kollektive Moden in Zwei-Band Supraleitern" haben wir gezeigt, dass diese Moden bei jeder Temperatur unter Tc existieren, wenn die Frequenz der Moden größer als unelastische Streuungsfrequenz und kleiner als die Energielücken ist.

Nutzbare Energie ist ein knappes Gut. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird die effiziente und nachhaltige Nutzung der verfügbaren Energie angestrebt. Wird Energie in elektrischer Form bereitgestellt oder transportiert, kommt der Minimierung der Verluste an elektrotechnischen Anlagen oder Bauelementen eine grundlegende Bedeutung zu. So werden beispielsweise Transformatorenkomponenten und Verstärkerelemente aus weichmagnetischen Werkstoffen mit geringem Ummagnetisierungsverlust gefertigt. In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der magnetischen Mikrostruktur und dem magnetischen Ummagnetisierungsverlust nanokristalliner Ringbandkerne untersucht. Der Einfluss von Stärke und Lage einer induzierten Anisotropie wird anhand induktiver Hysteresemessung und simultaner Beobachtung magnetischer Domänen mit stroboskopischer Kerrmikroskopie charakterisiert.

In dieser Doktorarbeit wird die Magnetisierungsdynamik von strukturierten, weichmagnetischen Einzelschichten aus Permalloy (Ni81Fe19) mittels stroboskopischer Kerrmikroskopie untersucht. Die Dicke der in unterschiedliche Formen (Kreise, Quadrate und Rechtecke) strukturierten magnetischen Schicht beträgt 50 nm bzw. 160 nm. Durch die Verwendung eines gepulsten Lasers als Beleuchtungsquelle wird eine Zeitauflösung erreicht, die unter 25 ps liegt. Parallel zu den Laserpulsen wird die Probe mit gepulsten Magnetfeldern angeregt und die Reaktion der Magnetisierung auf diese schnellen Magnetfeldänderungen wird untersucht. Diese Reaktion der Magnetisierung unterscheidet sich deutlich von einer Anregung mit quasistatischen Magnetfeldern. Durch die stroboskopische Beobachtungsweise sind nur reversible Prozesse sichtbar, irreversible Prozesse werden durch die Mittelung über mehrere Millionen Anregungs- und Beobachtungspulse nicht abgebildet. Dies wird bei der Anregung eines Vortex in einer Kreisscheibe deutlich, bei dem die Magnetisierungsrichtung im Vortexkern durch das gepulste Magnetfeld teilweise geschaltet wird. Dadurch ändert sich der Drehsinn der spiralförmigen Relaxationsbewegung des Vortex, was zu einer Überlagerung der beiden Bewegungen während der Beobachtung führt. Desweiteren wird eine Vervielfältigung von Vortex-Antivortex Paaren in Stachelwänden durch hochfrequente Felder gezeigt. Diese Vervielfältigung führt zur Erzeugung eines neuen, metastabilen Zustandes mit geringerem Stachelabstand. Mit steigender Frequenz des Feldes fällt der Stachelabstand bis auf 30 % des Ausgangswertes. Ab einer Grenzfrequenz, die durch die ferromagnetische Resonanz gegeben ist, kann die Magnetisierung dem Feld nicht mehr folgen und die Wandstruktur ist vergleichbar mit der im quasistatischen Grenzfall. Auch in dickeren Elementen wird diese Erzeugung beobachtet, wo sie zu einer irreversiblen Wandtransformation von der asymmetrischen Blochwand zur Stachelwand führt. Bei der Pulsanregung eines Landau-Domänenzustandes in einem Quadrat kommt es zur Bildung von sichelartigen Domänen an den Ecken des Quadrates. Die Entstehung dieser Domänen geschieht relativ schnell innerhalb einer Nanosekunde. Während der Relaxation der Magnetisierung lösen sich diese neu entstandenen Domänen durch Wandverschiebung wieder auf. Die Auflösung der Domänen geschieht deutlich langsamer als die Entstehung, was durch die unterschiedlichen Mechanismen, die bei der Entstehung (Magnetisierungsdrehung) und Auflösung (Wandverschiebung) der Domänen involviert sind, begründet werden kann. Außerdem kommt es zu einer inkohärenten Drehung der Magnetisierung in der Domäne mit antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung bezüglich des Pulsfeldes. Diese Drehung der Magnetisierung, lateral abwechselnd nach links und rechts, wird durch eine leichte Abweichung der Magnetisierung von einer perfekt homogenen Ausrichtung begünstigt.

Obwohl ultrahohe Magnetfelder jenseits von 100 T mittels spezieller Methoden experimentell nutzbar wurden, sind Magnetisierungsmessungen in diesen Feldern noch immer sehr kompliziert. Magnetfelder im Megagauß-Bereich lassen sich heute allein durch die semidestruktive Single-Turn-Coil (STC)-Methode und durch die vollständig destruktive Flußkompression erzeugen. In beiden Fällen sind die gepulsten Felder auf eine Dauer von wenigen Mikrosekunden und ein nutzbares Feldvolumen von wenigen Kubikzentimetern beschränkt. Dadurch bedingt sind nur solche Methoden für Magnetisierungsmessungen anwendbar, die sich an diese ungünstigen Randbedingungen anpassen lassen. Die Faraday-Rotation kann für optisch transparente Proben sinnvoll sein, jedoch ist die induktive Messung mittels kompensierter Pick-up-Spulen die einzige direkte Methode. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines solchen Meßsystems in einem STC-Feldgenerator. Im Hinblick auf das Meßsystem hat sich die sehr gute geometrische Kompensation der Pick-up-Spulen als wesentlich herausgestellt. Wichtig sind daneben aber auch eine hohe Bandbreite bzw. eine unverzerrte Sprungantwort. Als äußerst effektiv hat sich insbesondere die umfassende elektromagnetische Abschirmung des Meßsystems erwiesen, so daß die vom STC-Generator ausgehenden Störungen weitgehend unterdrückt werden. Besondere, für Magnetisierungsmessungen ungünstige Eigenschaften des STC-Systems, werden dargestellt und diskutiert. Magnetisierungsmessungen bei tiefen Temperaturen an den van Vleck-Paramagneten TmPO4 und TmPO4 ergaben Anomalien bei rund 30 T bzw. 50 T für ein Feld parallel zur tetragonalen Achse. Dieser Effekt resultiert aus einer Überkreuzung der beiden niedrigsten Energieniveaus in starken Magnetfeldern und führt zu einem scharfen Sprung in der Magnetisierung. Temperaturabhängige Messungen belegen den wesentlichen Einfluß des magnetokalorischen Effekts in kurzen gepulsten Feldern. Pulverproben der intermetallischen Verbindungen RMn2Ge2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y) wurden bei Helium-Temperaturen in Feldern bis zu 150 T untersucht. Abhängig vom Selten-Erd-Ion wurden in allen Verbindungen ein oder mehrere feldinduzierte metamagnetische Phasenübergänge beobachtet. Sie können auf eine Änderung der magnetischen Struktur des Mn-Untersystems zurückgeführt werden. Die kritischen Felder für den Übergang zur ferromagnetischen Phase betragen zwischen 90 T und 118 T (YMn2Ge2: 55 T). Detaillierte Rechnungen werden im Rahmen eines erweiterten Molekularfeld-Modells durchgeführt. Although ultrahigh magnetic fields in excess of 100 T have become available by specialized techniques, magnetization measurements in these fields are still a challenging task. Nowadays, magnetic fields in the megagauss range can be produced only by the semidestructive single-turn coil (STC) technique and by the fully destructive flux compression. In both cases these pulsed fields are limited to microsecond pulse duration and a usable field volume of not more than a few cubic centimeters. As a result, only those methods can be used for magnetization measurements, which can be adapted to these difficult boundary conditions. The Faraday rotation can be suitable for optically transparent samples, but the only direct technique is the induction method based on compensated pick-up coils. The present work deals with the development of such a measurement system and its application to various materials in fields up to 150 T produced by the STC. Regarding the measurement system, geometrically very well compensated pick-up coils turned out to be absolutely necessary as well as a large bandwidth and an appropriate transient response. In particular a comprehensive electromagnetic shielding, which makes use of a wire metal, proved to be very effective in suppressing disturbances produced by the STC system. Besides, some inherent characteristics and limitations of the STC generator with respect to magnetization measurements are revealed and discussed. Magnetization measurements were performed on the van Vleck paramagnets TmPO4 and PrVO4, and anomalies were found at about 30 T and 50 T, respectively, at low temperatures for a field along the tetragonal axis. This effect is due to a crossing of the lowest energy levels in high magnetic fields and results in a sharp jump in magnetization. Temperature dependent measurements provide evidence that the magnetocaloric effect plays an essential role in short pulse fields produced by the STC. Powder samples of the intermetallic compounds RMn2Ge2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y) have been investigated at liquid helium temperature up to 150 T. Depending on the rare-earth ion one or more field-induced metamagnetic phase transitions have been observed in all compounds, and they are found to be associated with a change in the magnetic structure of the Mn subsystem. The phase transitions to the ferromagnetic phase occur between 90 T and 118 T (YMn2Ge2: 55 T). Detailed calculations are performed using an extended molecular field model.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige Methode entwickelt, mit der es möglich ist, Magnetisierungsverläufe ausgewählter Schichten und Grenzflächen in dünnen Schichtsystemen zu bestimmen. Diese Resonante Magnetische Röntgenreflektometrie (XRMR: X-ray Resonant Magnetic Reflectometry) kombiniert die Methode der konventionellen Röntgenreflektometrie mit resonanten magnetischen Effekten, die an Absorptionskanten magnetischer Atome auftreten. Analog zur herkömmlichen Reflektometrie, die Aussagen über Schichtdicken und vertikale Grenzflächenrauhigkeiten zulässt, liefert die XRMR das tiefenabhängige magneto-optische Profil der untersuchten magnetischen Schicht. Durch die Aufnahme zweier Reflexionsspektren bei invertierter Helizität des einfallenden Röntgenstrahls oder Umkehr der Magnetisierungsrichtung der Probe in der Nähe der Absorptionskante eines magnetischen Elements erhält man als Messsignal das Asymmetrieverhältnis, das die Information über das tiefenabhängige Magnetisierungsprofil der untersuchten Schicht enthält. Zur Anpassung an die gemessene Asymmetrie über ein optisches Näherungsverfahren ist die Modellierung der optischen Konstanten der magnetischen Schicht oder Grenzfläche notwendig, die hierzu in viele dünne Einzelschichten künstlich aufgeteilt wird. Wichtig hierbei ist die korrekte Bestimmung der dispersiven und absorptiven Ladungsanteilen des komplexen Brechungsindex durch vorherige Messung des Absorptionskoeffizienten und der Berechnung der Dispersion über die Kramers-Kronig-Relation. XRMR-Experimente wurden an Pt/Co-Schichtsystemen an den Synchrotronstrahlungsquellen HASYLAB/Hamburg und BESSYII/Berlin durchgeführt, um die Anwendbarkeit der Messmethodik im harten und weichen Röntgenbereich zu demonstrieren. Durch die intrinsische Elementselektivität resonanter Streuung und die Verstärkung magnetischer Effekte durch Interferenzerscheinungen ist es möglich, Informationen über sehr kleine induzierte magnetische Momente an der Grenzfläche zu einer ferromagnetischen Schicht zu erhalten. Dies konnte bei der Untersuchung einer einzelnen Pt/Co-Bilage gezeigt werden, bei der das Magnetisierungsprofil der Pt-Schicht an der Pt/Co-Grenzfläche bestimmt wurde. Im Weiteren konnte durch XRMR-Messungen an einer Serie von einzelnen Pt/Co-Grenzübergängen das Zusammenspiel von chemischer Grenzflächenrauhigkeit und induziertem Pt-Magnetisierungsprofil untersucht werden. Wichtig war es, die Einsetzbarkeit der Methode im weichen Röntgenbereich zu zeigen, in dem die L2,3 Kanten der 3d-Übergangsmetalle liegen, die für den Magnetismus eine herausragende Rolle spielen. Hierbei konnte durch Messung an der Co-L3 Kante das Magnetisierungsprofil einer einzelnen Co-Schicht in einer Pt/Co/Cu-Trilage extrahiert werden. Des Weiteren erlaubt die Methode die Aufnahme elementspezifischer Hysteresekurven vergrabener dünner Schichten in Schichtsystemen mit hoher Qualität. Das Verfahren ist daher prädestiniert zur quantitativen Untersuchung von modernen neuen magnetoelektronischen Komponenten wie GMR- und TMR-Sensoren, MRAM’s oder Halbleiterstrukturen der viel versprechenden „Spintronic“. Es können bei derartigen Systemen Grenzflächenphänomene vergrabener Schichten zerstörungsfrei untersucht werden und im Weiteren auch Themen, die eher der Grundlagenforschung zuzuordnen sind, wie induzierter Grenzflächenmagnetismus oder auch oszillatorische Austauschkopplung in Zukunft quantitativ und elementselektiv behandelt werden., In this work a new method was developed to determine the magnetization depth profiles of defined layers or interfaces in thin magnetic multilayer systems. This called X-ray Magnetic Resonant Reflectometry (XRMR) combines the method of conventional X-ray reflectometry with magnetic resonant effects at absorption edges of magnetic atoms. Similar to conventional reflectivity experiments, which yield to well known analysis of layer thickness and interface roughness, specular magnetic measurements provide detailed information about the magnetization profile of a specific component in the multilayer system. The information of the depth magnetization profile is provided by the asymmetry ratio, which is obtained by measuring the reflectivity spectra near an absorption edge of a magnetic element and by flipping the helicity of the incoming photon beam or the magnetization direction of the sample. Simulations of the asymmetry ratio are based on an optical approach and replication of the measured curve could be achieved by modelling the optical constant of the magnetic layer or interface which is therefore separated into thin layered. As a result one gets the magneto optical profile of the modelled layer or interface. Care has to be taken for a correct determination of both dispersive and absorptive parts of the scattering amplitude which can be deduced by measuring the absorption coefficient and calculating the dispersion using Kramers-Kronig-relation. XRMR experiments were performed with Pt/Co layer systems at synchrotron sources HASYLAB/Hamburg and BESSYII/Berlin to demonstrate the applicability of the method both in the hard and soft X-ray region. Using the intrinsic site selectivity of resonant magnetic scattering and the enhancement of magnetic effects due to interference phenomena it is possible to get information about very small magnetic moments at the interface induced by the presence of a near-by ferromagnetic layer. This could be demonstrated by the investigation of a single Pt/Co bilayer where the depth magnetization profile of the Pt layer at the Pt/Co interface was determined. The interplay between chemical roughness and induced Pt magnetization profile could be deduced by performing measurements on a series of Pt/Co bilayer. An important item in this work was to demonstrate the applicability of the method in the soft X-ray region where the L2,3 edges of the 3d transition metals can be found which play a dominant role in the field of magnetism. By performing an XRMR experiment at the Co L3 edge the magnetization profile of a single Cobalt layer of a Pt/Co/Cu trilayer was determined. In addition method allows the measurement of site selective hysteresis loops of buried thin layers in multiplayer systems with high quality. XRMR is therefore predestined for non-destructive quantitative investigations of interface phenomena in modern magneto electronic devices like GMR and TMR systems, MRAMS`s and even for semiconductor structures of the promising spintronic devices. Further the method gives the possibility to get even more insight in topics of fundamental research like induced interface magnetism or oscillatory exchange coupling by using XRMR as an quantitative and site selective tool for magnetic investigations.

This diploma thesis shows the influence of substrates on the physical properties of epitactically grown films on the basis of two examples:the high temperature modification gamma-Mn has been stabilized on Pt(111)at room temperature by means of molecular beam epitaxy (MBE). The structural examinations have been performed with RHEED and XRD. The fcc-unit cell is tetragonally distorted, due to the lattice mismatch. Magnetization measurements could not prove a theoretically predicted, ferromagnetic ordering for distorted Mn.The second example is the stabilization of magnetic CoPt_3 nanostructures on WSe_2. Below the coverage of one monolayer the adatoms form statistically distributed, hexagonal, facetted and single-cristalline islands. At deposition temperatures of 150°C or higher the islands are in addition chemically ordered. The magnetic properties of CoPt_3 films are of great interest for technical applications. The films consist of 10nm-sized clusters with perpendicular magnetic anisotropy at deposition temperatures below 100°C. Both, the cluster size and the perpendicular magnetic anisotropy, promise a drastical enhancement of the data storage density. Moreover, the production process of such storage material is extremely simple as only one production step is necessary with the deposition temperature being at room temperature.