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We investigate spin waves (SW) in yttrium iron garnet (YIG) films grown by liquid phase epitaxy on the waferscale. The YIG film was nanostructured using electron beam lithography and helium ion microscopy (HIM). Using HIM the minimum periodicity of the lattice was 100 nm. The decay length amounted to 0.86 mm, and we found a group velocity up to 5.4 km/s in the bare YIG film. The magnonic grating coupler effect induced by the HIM patterning allowed us to excite SWs with a wavelength down to 80 nm. Wir untersuchen Spin Wellen in Yttrium Eisengranat (YEG) Filmen gewachsen mit Fluessigphasen Epitaxie in Wafergroeße. Für die Nanostrukturierung haben wir Elektronenstrahl Lithographie und Helium Ionen Mikroskopie (HIM) verwendet. Die kleinste Periodizitaet war 100 nm. Die Abklinglaenge betrug 0.86 mm und die Gruppengeschwindigkeit betrug bis zu 5.4 km/s im unbehandelten YEG Film. Durch den Magnonischen Gitter Koppler Effekt konnten wir Spin Wellen mit einer minimalen Wellenlänge von 80 nm erzeugen.

The insulating chiral magnet Cu2OSeO3 hosting topologically nontrivial spin order (Skyrmions and spin helices) is investigated via broadband microwave spectroscopy. We show that the spin helices exhibit linearly polarized magnetization dynamics at an unexpectedly small frequency of about 2 GHz. The two eigenmodes are cross-polarized, leading to linear dichroism in Cu2OSeO3. A Gilbert damping parameter of 1·10-4 is measured for geometrically confined spin waves at 5 K. Using pulsed induced microwave magnetometry, we find that depending on the waveguide used, the relaxation time of the helix eigenmodes varies up to 30 times due to dephasing. Es wird der isolierende chirale Magnet Cu2OSeO3 mit nichttrivialer Spinordnung (Skyrmionen und Spinhelices) anhand breitbandiger Mikrowellenspektroskopie untersucht. Wir zeigen, dass die Spinhelices linear polarisierte Magnetisierungsdynamik bei einer unerwartet kleinen Frequenz von 2 GHz aufweisen. Die beiden Eigenmoden sind kreuzpolarisiert und führen zu linearem Dichroismus in Cu2OSeO3. Ein Gilbert-Dämpfungsparameter in Höhe von 1·10-4 wird für geometrisch beschränkte Spinwellen bei 5 K gemessen. Mittels gepulster Induktions-Mikrowellen-Magnetometrie finden wir heraus, dass die Relaxationszeit der helikalen Eigenmoden abhängig von dem verwendeten Wellenleiter wegen Dephasierung bis zu einem Faktor 30 variiert.

We used different measurement techniques to investigate the magnetic properties and behavior of artificial spin ice (ASI) and ferromagnetic nanotubes. Applying theoretical models we identified characteristic spin wave modes in the structures. Comparing experimental data with a theoretical model for ASI we revealed discrepancies attributed to sample roughness. Using inelastic light scattering a current-controlled interference effect of spin waves was observed in Y-shaped magnonic waveguides. Wir verwendeten unterschiedliche Messmethoden, um die magnetischen Eigenschaften und das Verhalten von „artificial spin ice“ (ASI) sowie ferromagnetischen Nanoröhren zu untersuchen. Durch Anwendung von theoretischen Modellen identifizierten wir charakteristische Spinwellen-Moden in den Strukturen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit einem theoretischen Model für ASI zeigt deutliche Unterschiede welche wir der Probenrauigkeit zuschreiben. Durch inelastische Lichtstreuung beobachteten wir eine durch elektrischen Strom gesteuerte Interferenz in Y-förmigen Wellenleitern.

Thermal effects in freestanding ferromagnets have been studied. The necessary preparation technique and a laser-based heating setup have been developed. The anisotropic magnetoresistance and the conventional Seebeck effect as well as the anomalous Nernst effect have been found. Large in-plane temperature gradients have been realized. In a second part spin waves in multiferroic hybridstructures providing a magnonic crystal have been investigated. Besides large spin wave group velocities, the magnonic grating coupler effect has been found. Furthermore a prototype spin wave multiplexer was realized. In freitragenden Ferromagneten wurden thermische Effekte untersucht. Die benötigten Präparationstechniken und ein laserbasierter Messplatz wurden entwickelt. Der anisotrope Magnetowiderstandseffekt und der konventionelle Seebeck Effekt, sowie der anomale Nernst Effekt konnten nachgewiesen werden. Es wurden hohe Temperaturgradienten in der Probenebene realisiert. Im zweiten Teil wurden Spinwellen in multiferroischen Hybridstrukturen, die einen magnonischen Kristall bilden, untersucht. Neben hohen Gruppengeschwindigkeiten der Spinwellen wurde der magnonische Gitterkopplungseffekt gefunden. Desweiteren konnte der Prototyp eines Spinwellenmultiplexers realisiert werden.

Magnetic properties of two- and three-dimensional materials, id est large-area graphene and single crystals, respectively, of VB2 and MnB2, are studied at low temperatures and in high magnetic fields by torque magnetometry. Magnetic quantum oscillations are not observed for five differing graphene samples, consistent with sample quality available to date. Single crystals of VB2 and MnB2 of large size and unprecedented crystalline quality exhibit a pronounced de Haas-van Alphen effect. We report the angular and temperature dependencies of two de Haas-van Alphen frequencies for each crystal. They allow us to make a detailed comparison with band structure calculations and the isostructural compounds CrB2 and MgB2. Es werden magnetische Eigenschaften von zwei- und dreidimensionalen Materialien, nämlich großflächiges Graphen und VB2- und MnB2-Einkristalle, bei tiefen Temperaturen und in hohen Magnetfeldern mit Drehmoment-Magnetometrie untersucht. Magnetische Quantenoszillationen werden für fünf verschiedenartige Graphen-Proben in Übereinstimmung mit heute verfügbarer Qualität nicht beobachtet. Große VB2- und MnB2-Einkristalle mit außergewöhnlicher Qualität weisen einen ausgeprägten de-Haas-van-Alphen-Effekt auf. Wir zeigen die Winkel- und Temperaturabhängigkeit von jeweils zwei de-Haas-van-Alphen-Frequenzen. Dies ermöglicht einen Vergleich mit Bandstrukturdaten und den isostrukturellen Verbindungen CrB2 und MgB2.

Torque magnetometry at low temperature is performed to investigate the magnetic properties of MnSi thin films, of a CrB2 single crystal and of a two-dimensional electron system (2DES) formed at the interface of MgZnO/ZnO. The magnetic anisotropy and phase diagram of MnSi as well as information on the electronic structure of CrB2 are obtained. The MgZnO/ZnO 2DES exhibits the de Haas-van Alphen effect and non-equilibrium currents which are analyzed in order to determine ground state properties and excited states, respectively. Die magnetischen Eigenschaften von MnSi-Dünnfilmen, von CrB2-Einkristallen und von einem zweidimensionalen Elektronensystem (2DES) an der Grenzfläche von MgZnO/ZnO werden mit Drehmoment-Magnetometrie untersucht. Das magnetische Phasendiagramm und die magnetische Anisotropie von MnSi werden ermittelt und es werden Informationen über die elektronische Struktur von CrB2 erhalten. Grundzustandseigenschaften und angeregte Zustände des 2DESs in MgZnO/ZnO werden durch Analyse des de Haas-van Alphen Effekts bzw. der Nicht-Gleichgewichtsströme bestimmt.

Spin waves (SWs) in arrays of ferromagnetic nanowires, so called one-dimensional magnonic crystals have been studied. Propagating SWs in magnonic crystals were investigated by all electrical spectroscopy in the GHz regime. In artificial magnetic configurations SW excitation was controlled and SW propagation was reprogrammed. Atomic layer deposition of metallic ferromagnets has been investigated and improved regarding the magnetic parameters for the second generation of nanomaterials. Spinwellen (SW) in einer periodischen Anordnung von ferromagnetischen Nanodrähten, sogenannten eindimensionalen magnonischen Kristallen wurden untersucht. Propagierende SW wurden mit Hilfe rein elektrischer GHz-Spektroskopie vermessen. In künstlichen magnetischen Zuständen wurde die SW-Erzeugung und SW-Propagation kontrolliert. Atomlagenabscheidung von metallischen Ferromagneten wurde untersucht und hinsichtlich der magnetischen Parameter für moderne Nanomaterialien weiterentwickelt.

Spin wave (SW) excitations in two- and three-dimensional periodic nanostructures and chiral helimagnets have been studied experimentally and compared to theoretical predictions. SW spectroscopy has been performed with microstructured coplanar wave guides, to measure SW excitations as well as SW propagation. Different chiral helimagnets have been studied throughout their magnetic phase diagram. The normalized data fall onto universal curves being characteristic for the different magnetic phases. Es wurden Spinwellen (SW) Anregungen in zweidimensionalen und dreidimensionalen periodischen Nanostrukturen und chirale Helimagnete experimentell untersucht und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. SW-Spektroskopie mit mikrostrukturierten koplanaren Wellenleitern wurde durchgeführt um die Anregung sowie Ausbreitung von SW zu messen. Chirale Helimagnete wurden in unterschiedlichen magnetischen Phasen untersucht. Die Daten in diesen Phasen konnten auf eine universelle Theorie zurückgeführt werden.

Spin-wave (SW) propagation was studied in periodic arrays of 120 nm large holes, so called antidot lattices (ADLs). They were created by focused ion beam lithography into 25 nm thin permalloy Ni80Fe20 films. GHz SW spectroscopy was performed all electrically by micro- and nanoscale coplanar waveguides. The ADL periodicity ranged from 300 to 800 nm. For 300 nm periodicity, coherent backscattering was found to cause magnonic miniband formation in the SW dispersion and large group velocities of 6 km/s. For 800 nm periodicity and long SW wave lengths, the ADL showed signatures of an unstructured plain film with effective properties, i.e. metamaterial behavior. These effectively continuous properties were also found to describe well SW transmission into the ADL. Es wurde Spinwellen (SW)-Propagation in periodischen Anordnungen von 120nm großen Löchern, so genannten Antidot-Gittern (ADL), untersucht. Diese wurden mittels fokussierter Ionenstrahllithographie in 25nm dünnen Permalloy Ni80Fe20 Filmen erzeugt. GHz-SW- Spektroskopie wurde rein elektrisch mittels mikro- und nanoskaligen koplanaren Wellenleitern durchgeführt. Die ADL Periodizität reichte von 300 bis 800nm. Bei 300nm-Periodizität wurde kohärente Rückstreuung als Ursache für magnonische Miniband-Bildung in der Spinwellen-Dispersion und hohe Gruppengeschwindigkeiten von 6km/s gefunden. Bei 800nm-Periodizität und langen SW-Wellenlängen zeigte das ADL Kennzeichen eines unstrukturierten Films mit effektiven Eigenschaften, d.h. Metamaterial-Eigenschaften. Auf Basis dieser effektiv kontinuierlichen Eigenschaften wurde auch die Transmission von SW in das ADL hinein gut beschrieben.

Spin waves in magnetic nanowires and bi-component nanostructures have been studied experimentally and theoretically. Using GHz spectroscopy with micro- and nanostructured waveguides, the propagation of spin waves has been studied. In NiFe nanowires, extraordinarily fast spin-wave propagation has been measured. Bi-component structures of Co in NiFe matrix exhibited an artificial band structure with band gaps that arise due to Bragg-reflection and magnetic contrast. Spinwellen in magnetischen Nanodrähten und Zwei-Komponenten-Nanostrukturen wurden experimentell und theoretisch untersucht. Mit GHz-Spektroskopie mit mikro- und nanostrukturierten Wellenleitern wurde die Ausbreitung von Spinwellen gemessen. In NiFe-Nanodrähten wurde außergewöhnlich schnelle Spinwellen-Propagation gemessen. Zwei-Komponenten-Strukturen aus Co in NiFe-Matrix wiesen eine künstliche Bandstruktur mit Bandlücken, die durch Bragg-Reflexion und magnetischen Kontrast entstehen, auf.

In this work a fiber optical interferometric magnetometer with a piezo based 4-axis nano-positioning- system was designed and build up. The system was designed to work in a 3He cryostat and under high magnetic fields. Angle and temperature dependent magnetization measurements were performed on electrons forming a pseudo-spin-system in an AlAs/GaAs quantum well. We found convincing evidence for strong electron-electron-interaction effects. Additionally, nanomechanical bridges of ferromagnet /semiconductor hybrid structures were produced. These showed mechanical oscillations with high eigenfrequency of 0.5 GHz. By performing power dependent microwave spectroscopy mechanical and magnetic coupling phenomena were investigated. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein faseroptisches interferometrisches Magnetometer mit einem piezobasierten 4-achsigen Nanopositioniersystem konzipiert und aufgebaut. Das System ist für den Betrieb in einem 3He-Kryostaten und unter hohen Magnetfeldern konzipiert. Es wurden winkel- und temperaturabhängige Magnetisierungsmessungen an Elektronen in AlAs/GaAs Quantentrögen durchgeführt, die ein Pseudo-Spin-System bilden. Dabei wurden deutliche Hinweise auf starke Elektron-Elektronwechselwirkungseffekte gefunden. Zusätzlich wurden Nanobrücken aus Ferromagnet/Halbleiterhybridstrukturen hergestellt. Diese zeigen mechanische Schwingungsanregungen mit hohen Eigenfrequenzen von 0.5 GHz. Durch leistungsabhängige Mikrowellenspektroskopie wurden die mechanischen und magnetischen Kopplungsphänomene untersucht.

The combination of neutron radiography with one dimensional polarisation analysis developed in this thesis allows the spatially resolved determination of the magnetic properties of weakly ferromagnetic substances. This method can yield valuable information on the nature of the underlying phase transition. The requirements for all components of the experimental setup and their influence on the maximum spatial resolution are discussed extensively in this work. Radiographic as well as tomographic measurements on the substances Pd1-xNix and Ni3Al show the potential of this method on the one hand for the determination of sample quality and on the other hand for the study of the influence of inhomogeneities on the formation of new magnetic order at low temperatures. Die in dieser Arbeit entwickelte Kombination von Neutronenradiographie mit eindimensionaler Polarisationsanalyse erlaubt es magnetische Eigenschaften schwach ferromagnetischer Substanzen ortsaufgelöst zu messen. Diese Methode kann wertvolle Informationen über die Natur des zugrunde liegenden Quantenphasenübergangs liefern. In dieser Arbeit werden die Anforderungen an alle Komponenten des experimentellen Aufbaus und ihr Einfluß auf die maximale Auflösung eingehend diskutiert. Sowohl radiographische als auch tomographische Messungen an den Substanzen Pd1-xNix und Ni3Al zeigen das Potential der Methode einerseits zur Bestimmung der Probenqualität und andererseits um den Einfluß von Inhomogenitäten auf die Ausbildung neuer magetischer Ordnung bei tiefen Temperaturen zu studieren.

Diese Doktorarbeit behandelt die Entwicklung eines analytischen layout-bezogenen Modells für das Design monolithischer Dickschicht-Transformatoren mit neuer Niedertemperatur-Einbrand-Keramik- (Low Temperature Cofired Ceramics LTCC)-Technologie für die Leistungsübertragung. Die Simulationsergebnisse werden mit Messdaten der Prototypen validiert. Als Schlüsselergebnis wurde ein neuer Platten-Transformator entwickelt, der 101W bei effektiver Eingangsspannung von nur 20V an 50Ω Last mit einem Wirkungsgrad von 95.3% und einer Baugröße von nur 0.3cm³ bei einer Betriebsfrequenz von 2.5MHz übertragen kann. Diese Messwerte übertreffen die geforderten Spezifikationen. Mit dem entwickelten Model lassen sich Parameter einfach variieren und Designs von Bauelementen optimieren. Darüber hinaus werden einige weitere Aspekte des Designs von Planar-Transformatoren erörtert um einen kompletten Überblick zu geben. This doctoral thesis deals with the development of a layout-based analytical model for the design of monolithic thick film transformers for power transmission based on new LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) technology. The simulation results are validated by measurement data of the prototype transformers. As a key result, a new gap transformer has been developed transmitting 101W for an effective input voltage of only 20V at 50Ω load and an efficiency of 95.3%, a small volume of only 0.3cm³ and a frequency of 2.5MHz. This transformer performance exceeds the expected specifications. With the model developed in this thesis, parameters can be varied easily and component designs can be optimized. Some further aspects of designing planar transformers are discussed to give a complete overview.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden epitaktische AlN-Schichten untersucht. Diese konnten unter Stickstoff-reichen Wachstumsbedingungen effizient und homogen mit Silizium bis zu einer Konzentration von 5.2 × 1021 cm-3 dotiert werden. Dabei wirkt Silizium in einer Konzentration von ca. (5±3) × 1020 cm-3 optimal als Surfactant, was sich in Form einer deutlich verringerten Oberflächenrauigkeit und Schraubenversetzungsdichte sowie einer höheren lateralen Kristallitgröße von mehr als 1 µm bemerkbar macht. Aufgrund dieser Wirkung des Siliziums wird eine biaxiale kompressive Verspannung von mehr als 2 GPa induziert. Diese führt zu einer Zunahme der Aktivierungsenergie des Silizium-Donators bzw. der elektrischen Leitfähigkeit auf mehr als 500 meV. Mit steigender Dotierkonzentration nimmt die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von AlxSiyN-Clustern zu. Dies wirkt sich in vielfältiger Weise aus: Zum einen bildet sich in der polykristallinen Schicht ein Störband aus, zum anderen zeigen Messungen des Absorptionskoeffizienten bzw. der Bandkanten-nahen Lumineszenz eine Abnahme der Bandlücke um mehr als 80 meV, welche auf die Bildung von Bandausläufern (band tails) zurückgeführt werden kann. Within this work, epitaxial AlN layers were investigated. Efficient and homogeneous doping was achieved under nitrogen rich growth conditions for silicon concentrations up to 5.2 × 1021 cm-3. During growth silicon acts most effective as a surfactant at a concentration of (5±3) × 1020 cm-3, which leads to a significant reduction of the surface roughness and the screw dislocation density, accompanied by an increase of the lateral crystal size tomore than 1 µm. Due to this effect of the silicon, a biaxial compressive stress of more than 2 GPa is induced. This leads to an increase of the activation energy of the silicon donor or the electric conductivity to more than 500 meV. With increasing donor concentration the probability for the formation of AlxSiyN clusters increases strongly, which leads to manifold effects: An impurity band is formed within the polycrystalline layer, and measurements of the absorption coefficient and the near bandgap luminescence show a decrease of the bandgap by more than 80 meV, which can be ascribed to the formation of band tails.

Verdünnte magnetische Halbleiter (DMS) sind interessante Materialien für die Spinelektronik. Es wurden Zn0,95Co0,05O Filme auf ZnO, Al2O3 und ScAlMgO4 Substraten gewachsen und ihre strukturellen und magnetischen Eigenschaften untersucht. Messungen der Magnetisierung mit SQUID Magnetometrie zeigten bei 300K eine magnetische Kopplung, die auch mit superparamagnetischen Nanopartikeln erklärt werden kann. Mit elementspezifischen Messungen des magnetischen Röntgenzirkulardichroismus' konnte nachgewiesen werden, dass das magnetische Moment von metallischen Kobalt Nanopartikeln herrührt. Röntgendiffaktometriemessungen und Transmissionselektronenmikroskopie bestätigen dieses Ergebnis. Hinweise auf eine zweite ferromagnetische Phase, speziell in Hinblick auf einen DMS, wurden nicht gefunden. Diluted magnetic semiconductors (DMS) are interesting materials for spintronics. Zn0.95Co0.05O thin films were grown on ZnO, Al2O3 and ScAlMgO4 substrates and their structural and magnetic properties were determined. Magnetization measurements with SQUID magnetometry showed a magnetic coupling, which can also be explained in terms of superparamagnetic nanoparticles. Elementspecific x-rax magnetic circular dichroism measurements proved, that the magnetic moment is caused by metallic cobalt nanoparticles. X-ray diffractometry and transmission electron microscopy confirm this result. Evidence of a second ferromagnetic phase, especially of a DMS, were not found.

Die Materialien aus der Gruppe der Doppelperowskite zeigen ein reichhaltiges Spektrum an physikalischen Eigenschaften. Für mögliche Anwendungen im Bereich der Spinelektronik sind hierbei insbesondere die ferromagnetischen Doppelperowskite interessant, da einige dieser Materialien eine Curie-Temperatur weit oberhalb der Raumtemperatur aufweisen und zudem halbmetallische Eigenschaften vorhergesagt wurden. Durch die Untersuchung von ferromagnetischen Doppelperowskiten mittels magnetischem Röntgenzirkulardichroismus und SQUID-Magnetometrie werden im Rahmen dieser Arbeit die Vorhersagen des kürzlich veröffentlichten Modells des verallgemeinerten Doppelaustausches bezüglich des magnetischen Austauschmechanismusses dieser Materialien überprüft und bestätigt. Ebenso wird die Herstellung und Charakterisierung von Dünnschichtproben des Doppelperowskits Sr 2 CrWO 6 beschrieben und hierbei insbesondere die Magnetotransporteigenschaften der dünnen Filme diskutiert. Among the double perovskites, materials with a diverse spectrum of physical properties are known. Ferromagnetic double perovskites with a high Curie-temperature well above room temperature and with halfmetallic properties, which were predicted by theory, are interesting candidates for possible applications in spintronic devices. A mechanism explaining the magnetic exchange in these materials, based on the generalized double exchange, was published recently. By using X-ray magnetic circular dichroism spectroscopy and SQUID-Magnetometry, the predictions of this model could be experimentally validated within the framework of this thesis. In the second part of this thesis, the growth and the physical properties of thin films of the double perovskite Sr 2 CrWO 6 are discussed, in particular the magneto-transport results.