Preparation, characterization, and electrical properties of epitaxial NbO2 thin film lateral devices

Epitaxial NbO2 (110) films, 20 nm thick, were grown by pulsed laser deposition on Al2O3 (0001) substrates. The Ar/O2 total pressure during growth was varied to demonstrate the gradual transformation between NbO2 and Nb2O5 phases, which was verified using x-ray diffraction, x-ray photoelectron spectroscopy, and optical absorption measurements. Electric resistance threshold switching characteristics were studied in a lateral geometry using interdigitated Pt top electrodes in order to preserve the epitaxial crystalline quality of the films. Volatile and reversible transitions between high and low resistance states were observed in epitaxial NbO2 films, while irreversible transitions were found in case of Nb2O5 phase. Electric field pulsed current measurements confirmed thermally-induced threshold switching.Comment: This is an author-created, un-copyedited version of an article accepted for publication in Journal of Physics D: Applied Physics. IOP Publishing Ltd is not responsible for any errors or omissions in this version of the manuscript or any version derived from it. The Version of Record is available online at http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/48/33/33530

On the rate of Poisson approximation to partial sum processes

We investigate approximation of a Bernoulli partial sum process to the accompanying Poisson process in the non-i.i.d. case. The rate of closeness is studied in terms of the minimal distance in probability

Magnetoelectric materials in exchange bias systems

Der Widerstand einer sandwichartigen Heterostruktur, die alternierend aus ferromagnetischen (FM) und nichtmagnetischen Schichten besteht, hängt von der gegenseitigen Orientierung der magnetischen Momente in den FM Schichten ab. Problematisch bei magnetoresistiven Elektronikanwendungen sind jedoch hohe Stromdichten innerhalb von mikroelektronischen Bauelementen, die im Endeffekt die gewünschte Miniaturisierung begrenzen würden. Neue Ideen für Bauelemente, die mit möglichst geringen Strömen gesteuert werden können, sind daher willkommen. Diese Arbeit ist so genannten Exchange Bias (EB-) Systemen gewidmet, die als Kombination aus FM und antiferromagnetischen (AF) Materialien den EB-Effekt in Form einer Verschiebung der FM Hystereseschleife entlang der Achse des Magnetfelds zeigen. In der Arbeit wurden EB-Systeme untersucht, deren AF Komponente gleichzeitig zur Klasse magnetoelektrischer (ME) Materialien gehört. Der lineare ME Effekt ermöglicht in einem derartigen Material das Induzieren elektrischer Polarization durch ein äußeres Magnetfeld bzw. das Magnetisieren durch ein elektrisches Feld. Somit kann dieser Effekt auch zur elektrischen Kontrolle magnetischer Eigenschaften in EB-Systemen in Folge der Austauschkopplung zwischen den FM und AF Komponenten verwendet werden. Einer der wichtigsten Vertreter der Materialien mit linearem ME Effekt ist Chromoxid Cr2O3, das bei Zimmertemperatur ebenfalls AF ist. Eine indirekte elektrische Kontrolle des senkrechten EB-Effektes in Schichtsystemen Cr2O3 (0001)/[Co/Pt]_n wurde realisiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden neuartige Konzepte und Anwendungen im Bereich der Datenspeicherung unter Einsatz von ME Materialen entwickelt. Bei der weiteren Ausarbeitung dieser Thematik habe ich die unten aufgelisteten Ziele verfolgt. Um ein tieferes Verständnis des Schalteffekts in ME EB-Systemen zu erreichen, wurden die Abhängigkeiten des EB-Felds H_EB und der Koerzitivfeldstärke H_C von den elektrischen und magnetischen Einfrierfeldern, von der Dicke der FM Schicht, sowie von der Temperatur in Systemen aus dicken Cr2O3-Einkristallen untersucht. Unkompensierte Momente an einer FM-AF-Grenzfläche wurden mittels röntgenspektroskopischen Messmethoden analysiert. Zwecks Optimierung für die Datenspeicherung habe ich das komplette ME Schalten vom EB-Effekt bei der Zimmertemperatur realisiert. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von bzw. das Suchen nach neuartigen Messmethoden bzw. Materialien für ME EB-Systeme. Ein SQUID-Aufbau mit verbesserter Empfindlichkeit wurde für direkte und indirekte Messungen von elektrisch induzierten ME Effekten, unter anderem auch in dünnen ME Schichten entwickelt. Eine neue Materialklasse von Substanzen, die in Abwesenheit jeglicher Symmetrieanforderungen den nichtlinearen ME delta-Effekt zeigen, wurde anhand von ME SQUID Messungen an dem ME Multiglas (Sr, Mn)TiO3 beschrieben. Weiterhin wurden ME Eigenschaften von granularen Systemen aus FM und leitendem CrO2 mit intrinsischen Tunnelübergängen CrO2/Cr2O3/CrO2 an den Korngrenzen gemessen und deren Auswirkungen auf den Magnetotransport diskutiert. Als letzter Schwerpunkt sind Arbeiten zur Herunterskalierung der ME Komponenten zu erwähnen. Dünne (0001) orientierte Cr2O3 - Schichten wurden mittels gepulster Laserdeposition (PLD) bzw. mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) durch reaktives Verdampfen von Cr und Cr2O3 präpariert und in Bezug auf ihre Transport- und strukturelle Eigenschaften untersucht. Senkrechte EB-Systeme wurden auf Basis von dünnen Cr2O3-Schichten realisiert und magnetometrisch untersucht. Verschiedene Aspekte von Phasenübergängen in EB-Systemen wurden erforscht.The resistanse of sandwiched heterostructures composed of alternate ferromagnetic (FM) and nonmagnetic layers depends on the mutual orientation of the magnetic moments in the FM layers. However, high current densities inside of magnetoresistive devices are a challenge and might finally limit the forthcoming downscaling. That is, new ideas of devices, which can be controlled by preferably low currents, are important. This thesis is dedicated to so called exchange bias (EB) systems, which show the EB effect as a shift of the corresponding FM hysteresis loop along the magnetic field axis as a result of combining FM and antiferromagnetic (AF) materials. In this work EB systems are described, which contain AF components, pertaining at the same time to the class of magnetoelectric (ME) materials. The linear ME effect means the induction of an electric polarization by an external magnetic field, or vice versa, magnetizing the corresponding solid by an external electric field. Thus this effect can be used to control magnetic properties in EB systems, due to the corresponding exchange coupling between the FM and AF components. One of the most important representatives of materials, showing the linear ME effect, is chromium oxide Cr2O3, which is also AF at room temperature. An indirect electric control of the perpendicular EB effect in layered systems Cr2O3(0001)/[Co/Pt]_n has been realized. Novel concepts and applications for using ME materials in the field of the data storage has been developed on the basis of these results. During the further elaboration of this topic I have been focusing on the targets, which are listed below. In order to obtain a deeper understanding of the switching effect in ME systems the dependences of the EB, H_EB, and of the coercive fields, H_C, on electric and magnetic freezing fields, the FM layer thickness and the temperature have been investigated on systems built on thick single crystals of Cr2O3. Uncompensated moments at the FM-AF interface have been analyzed by methods of X-ray spectroscopy. The complete ME switching of the EB effect has been realized at room temperature with the aim of optimizing its use in devices for the data storage. The next focus is the development of novel measuring techniques and the search on new materials for ME EB systems, respectively. A SQUID setup with increased sensitivity has been developed for direct and indirect measurements of electrically induced ME effects, inter alia also in thin ME films. A new class of materials, which show the nonlinear ME delta-Effekt in the absence of any symmetry requirements, has been decribed on the basis of ME SQUID measurements on a ME multiglass (Sr,Mn)TiO3. ME properties of granular systems, consisting of FM and conductive CrO2 with intrinsic tunnel junctions CrO2/Cr2O3/CrO2 at the grain boundaries, has been measured. Its effect on the magnetotransport has been discussed. Finally, my activities, aiming at downscaling the ME components, need to be listed. Thin (0001) oriented Cr2O3 films have been grown by the techniques of pulsed laser deposition (PLD) and molecular beam epitaxy (MBE), respectively, by employing reactive evaporation of Cr and Cr2O3 and have been investigated with regard to its transport and structural properties. Perpendicular EB systems have been realized and investigated by means of magnetometry. Different aspects of phase transitions in EB systems have been investigated

Interactive Multimedia Solutions Developed for the Opening of the New Stage of the Alexandrinsky Theatre

This paper focuses on teamwork by the National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (NRU ITMO) and the Aleksandrinsky Theatre in preparation of opening of the New Stage of the Alexandrinsky Theatre. The Russian State Pushkin Academy Drama Theatre, also known as the Alexandrinsky Theatre, is the oldest national theatre in Russia. Many famous Russian actors performed on the Alexandrinsky’s stage and many great directors. May 2013 marked the opening of the New Stage of the Alexandrinsky Theatre. The theatre complex comprises three buildings: the new stages building, a media center, and the building housing a center of theatre education. Several plays shown simultaneously on multiple stages within the new complex’s buildings constituted the opening gala of the New Stage of the Alexandrinsky Theatre. The works of Fyodor Dostoyevsky were the plays’ unifying theme. NRU ITMO employees developed several interactive theatre project solutions implemented for the opening of the Alexandrinsky Theatre’s New Stage

Synthesis of new optical sensors for determination of pH and chloride ions in reinforced concrete

Corrosion of reinforcement steel of concrete is one of the main causes of deteriorations of structures. Principally, it is an electrochemical process, which can be divided by two mechanisms – acidic and chloride initiated corrosion. Optical sensoric materials were prepared, which allow a non-destructive monitoring of these processes. The sensors are embedded into concrete structures and the signal is transported through optical fibres. pH–indicator azo dyes have been synthesised for monitoring of acidic attack. An aldehyde group has been used as dye–reactive functionality for the first time. The dyes have been covalent bound to poly(vinyl alcohol co ethylen) by acetal spacer bridge to assure long–term stability of the sensor. The colour change of such prepared pH–indicator materials occurs in the pH interval of 11 to 13 and allows to predict the acidic attack in an early stage. The response time of these sensors is in the range of seconds. The optical detection of chloride ions in alkaline media has been investigated. Benzimidazolotrimethine dyes tend to form J–aggregates under influence of chloride ion concentration in pH of 10 to 13. A suitable polymer has been developed – poly(vinyl alcohol co vinyl butyral), in which the dye is dissolved as host–guest system. Such prepared sensor material allows a precise determination of chloride concentration and shows an excellent selectivity against other anions, which are typical in the presence of concrete structures. To the best of our knowledge it is the first optical sensors for determination of chloride in alkaline media.Die Korrosion des Baustahls im Beton ist eine der Hauptursache von Schäden an Bauwerken. Es handelt sich um einen elektrochemischen Prozess, der zwei Mechanismen haben kann –säure- und chloridinduzierte Korrosion. Optische Sensoren für eine zerstörungsfreie Überwachung von Betonbauwerken sind entwickelt worden. Die Sensoren werden in Betonstrukturen eingebettet und das Signal wird über optische Fasern geführt. pH–Indikatoren auf Basis von Azofarbstoffen für die Überwachung des Säurenangriffs sind synthetisiert worden. Dabei ist zum ersten Mal eine Aldehydfunktion als reaktive Gruppe angewendet worden. Die Farbstoffe sind an poly(Vinylalkohol co Ethylen) durch eine Acetalbrücke kovalent gebunden worden, um die Langzeitstabilität des Sensors zu sichern. Die Farbänderung der pH-Indikatoren verläuft im Intervall 11 bis 13 und kann den Säurenangriff in einer frühen Phase detektieren. Die Antwortzeit dieser Sensoren beträgt einige Sekunden. Die optische Bestimmung von Chloridionen im alkalischen Milieu ist erforscht worden. Benzimidazolotrimethine Farbstoffe zeigen eine starke Tendenz zur Bildung von J-Aggregaten unter Einfluss von Chloridionen im pH-Bereich von 10 bis 13. Ein geeignetes Polymer - poly(Vinylalkohol co Vinylbutyral) - ist entwickelt worden. Der Farbstoff ist in der Polymermatrix als Host-Guest System gebunden. Dieses Sensormaterial ermöglicht eine genaue Bestimmung der Chloridionenkonzentration und zeigt eine ausgezeichnete Selektivität im Gegenwart zu anderen Anionen, die typisch sind in Betonstrukturen. Unseres Wissens nach ist das der erste optische Sensor, der die Detektion von Chloridionen im alkalischen Milieu ermöglicht

The role of defects in the electrical properties of NbO2 thin film vertical devices

Epitaxial NbO2 thin films were grown on Si:GaN layers deposited on Al2O3 substrates using pulsed laser deposition. Pulsed current-voltage (IV) curves and self-sustained current oscillations were measured across a 31 nm NbO2 film and compared with a similar device made from polycrystalline NbO2 film grown on TiN-coated SiO2/Si substrate. Crystal quality of the as grown films was determined from x-ray diffractometry, x-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy data. The epitaxial film device was found to be more stable than the defect-rich polycrystalline sample in terms of current switching and oscillation behaviors