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Jan-Michael Kehrle

• The present work investigates a superconducting spin valve, first proposed by L. Tagirov, at the Solid State Physics Department of the Kazan Federal University in Russia. The superconducting spin valve can be made up of two ferromagnetic layers which enclose a superconductor. Theoretical calculations show, that for a given suitable temperature the spin valve structure may be either in the normal conducting state or in the superconducting state, depending on the relative orientation of the magnetic layers. However, the fabrication of a functioning spin valve is rather difficult and it seems more straight forward to start with bilayers, which are easier to produce and control. Here, the optimal choice of parameters, such as the thickness of the superconducting and ferromagnetic layer, the crystalline orientation of the layers and the magnetic properties can be studied. If the optimal parameters have been found, they have to be verified in a trilayer system. However, it is likely that inThe present work investigates a superconducting spin valve, first proposed by L. Tagirov, at the Solid State Physics Department of the Kazan Federal University in Russia. The superconducting spin valve can be made up of two ferromagnetic layers which enclose a superconductor. Theoretical calculations show, that for a given suitable temperature the spin valve structure may be either in the normal conducting state or in the superconducting state, depending on the relative orientation of the magnetic layers. However, the fabrication of a functioning spin valve is rather difficult and it seems more straight forward to start with bilayers, which are easier to produce and control. Here, the optimal choice of parameters, such as the thickness of the superconducting and ferromagnetic layer, the crystalline orientation of the layers and the magnetic properties can be studied. If the optimal parameters have been found, they have to be verified in a trilayer system. However, it is likely that in a trilayer system no switching occurs because the magnetization of the magnetic layers point always into the same direction (if they do not have a different coercive field) when rotated by an external field. Therefore, a fourth layer is introduced in order to fix the magnetization direction of one of the ferromagnetic layers, while the magnetic orientation of the second one is turned to an opposite direction relative to the first one using an external magnetic field. The present work is arranged in the following way. In the second chapter, the theoretical background is discussed, first in a qualitative way, in order to present the main ideas of the theory, and then in a rigorous mathematical derivation. The third chapter contents the sample preparation, i.e. which samples have been prepared and with which methods. Since the thickness of the layer has strong influence on the properties of the system, it has to be controlled with a high accuracy. The thickness and atomic composition is, therefore, determined by Rutherford Backscattering Spectrometry. This measurement procedure as well as the fitting is described in chapter 4. In the next chapter, the samples are analyzed with a Transmission Electron Microscope. Thereby the atomic lattice structure of the individual layers can be determined by electron diffraction. Furthermore, the thickness of the layers and the quality of the interfaces as well as the crystalline orientation can be identified by High Resolution imaging. The sixth chapter covers the analysis of the magnetic properties of the copper-nickel alloy layer used as ferromagnetic material in bilayers and trilayers and the properties of the antiferromagnetic cobalt oxide layer, which serves to exchange bias one of the ferromagnetic layers. In the last chapter, the resistance measurements at low temperatures are reported, which are applied to study the superconducting properties. Furthermore, the theory is fitted to the experimental measurement points and the obtained results are interpreted.…
• Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von einem supraleitenden Spinventil, welches von L. Tagirov vom Physikinstitut der Kazan Bundesuniversität in Russland zuerst vorhergesagt worden ist. Das supraleitende Spinventil besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten, welche eine supraleitende Schicht einschließen. Theoretische Berechnungen zeigen, dass für einen bestimmten Temperaturbereich das Spinventil entweder in einem normalleitenden Zustand oder in einem supraleitenden Zustand sein kann, abhängig von der relativen Orientierung der Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten. Die Herstellung eines solchen supraleitenden Spinventils auf Anhieb scheint schwierig zu sein, wodurch es ratsam ist, zunächst Doppellagen zu untersuchen, welche leichter herzustellen sind. Dadurch können die optimalen Parameter hinsichtlich der supraleitenden und ferromagnetischen Schichtdicke, die Gitterstruktur, sowie die magnetischen Eigenschaften der Schichten bestimmt werden. WennDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von einem supraleitenden Spinventil, welches von L. Tagirov vom Physikinstitut der Kazan Bundesuniversität in Russland zuerst vorhergesagt worden ist. Das supraleitende Spinventil besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten, welche eine supraleitende Schicht einschließen. Theoretische Berechnungen zeigen, dass für einen bestimmten Temperaturbereich das Spinventil entweder in einem normalleitenden Zustand oder in einem supraleitenden Zustand sein kann, abhängig von der relativen Orientierung der Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten. Die Herstellung eines solchen supraleitenden Spinventils auf Anhieb scheint schwierig zu sein, wodurch es ratsam ist, zunächst Doppellagen zu untersuchen, welche leichter herzustellen sind. Dadurch können die optimalen Parameter hinsichtlich der supraleitenden und ferromagnetischen Schichtdicke, die Gitterstruktur, sowie die magnetischen Eigenschaften der Schichten bestimmt werden. Wenn diese Parameter bekannt sind, müssen sie an ein Dreilagensystem angepasst werden. Mit hoher Wahrscheinlichkeit lässt sich aber in einem Dreilagensystem keine Veränderung der kritischen Temperatur beobachten, da sich die Magnetisierung beider ferromagnetischen Schichten bei Anlegen eines externen magnetischen Feldes gleichzeitig dreht (solange die beiden Schichten nicht unterschiedliche Koerzitivfelder besitzen). Um dies zu vermeiden, wird eine vierte Schicht aufgebracht, welche die Richtung der Magnetisierung einer der beiden ferromagnetischen Schichten konstant hält, während die Magnetisierung der anderen mit Hilfe eines externen magnetischen Feldes gedreht wird. Die folgende Arbeit beginnt mit einer kurzen Einleitung gefolgt von einem Theorieteil, in dem der theoretischer Hintergrund zunächst qualitativ und anschließend quantitativ hergeleitet wird. Im dritten Teil wird die Probenpräparation mittels Magnetronsputtern beschrieben und erklärt, welche Proben hergestellt wurden. Da die Schichtdicken eine der Haupteinflussfaktoren in dem Experiment sind, wurden diese (sowie deren atomare Zusammensetzung) mit Hilfe der Rutherford Rückstreuspektrometrie mit hoher Genauigkeit bestimmt. Im darauffolgenden Kapitel werden die Proben mit einem Transmissionselektronenmikroskop untersucht. Dabei wird mit Diffraktionsexperimenten die Gitterstruktur der Schichten ermittelt. Mit Hilfe von hoch aufgelöster Transmissionselektronenmikroskopie kann die Beschaffenheit und Qualität der Grenzflächen sowie die Gitterstruktur aufgeklärt werden. Im sechsten Kapitel werden die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Kupfernickellegierung untersucht, sowie der durch eine antiferromagnetische Kobaltoxidschicht erzeugte "exchange bias". Im letzten Kapitel werden die Tieftemperaturmessungen erörtert, mit deren Hilfe die supraleitenden Eigenschaften der Schichtstrukturen bestimmt worden sind. Des Weiteren werden in diesem Kapitel mit Hilfe der Theorie die gemessenen Daten simuliert und die so gewonnen Ergebnisse interpretiert.…