TY  - THES
A1  - Göhler, Antonia
T1  - Untersuchung Karbohydrat-bindender Proteine mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung
T1  - Studying carbohydrate binding proteins with high temporal and spatial resolution
N2  - Das menschliche Genom verschlüsselt 30000 bis 40000 Proteine, von denen ein Großteil kovalent gebundene Karbohydrat-Gruppen an Asparagin-, Serin-, Threonin- oder Hydroxylysin-Resten trägt. Diese sogenannten Glykoproteine sind allgegenwärtige Bestandteile der extrazellulären Matrix von Zelloberflächen. Sie steuern Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kommunikationen, können bei der roteinfaltung helfen bzw. die Proteinstabilität erhöhen oder Immunantworten regulieren. Die Auslösung von biologischen Prozesse erfordert aber Übersetzer der zuckerbasierten Informationen. Solche Effektoren sind die Lektine, unter ihnen auch die Galektine. Galektine binden spezifisch β-Galaktosen, weisen strukturelle Übereinstimmungen in der Aminosäuresequenz ihrer Zuckererkennungsdomänen (CRDs) auf und zeigen ein „jelly-roll“-Faltungsmuster, bestehend aus einem β-Sandwich mit zwei antiparallelen Faltblättern. Strukturell werden die CRDs in drei verschiedenen, topologischen Formen präsentiert. Proto-Typen existieren als nicht-kovalent verknüpfte Dimere der CRDs, Chimera-Typen besitzen neben der CRD eine Nicht-Lektin-Domäne und bei den Tandem-Repeat-Typen sind zwei verschiedene CRDs über ein kurzes Linker-Peptid kovalent verbunden. Galektine werden sowohl in normalem wie auch pathogenem Gewebe exprimiert und das zunehmende Wissen über die Beteiligung an verschiedenen Krankheiten und Tumorwachstum liefert die Motivation, strukturelle Aspekte und die Vernetzung von Lektinen detailliert, insbesondere im Hinblick auf ihre intrafamiliären Unterschiede, zu untersuchen. Durch die Kombination verschiedener Spektroskopie-Techniken mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, basierend auf der Verwendung von Fluorophoren (intrinsisch und extrinsisch), werden in dieser Arbeit die Eigenschaften von Galektinen näher untersucht. Mit Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) und Anisotropie-Messungen wird gezeigt, dass eine Liganden-Bindung bei Proto-Typ-Galektinen mit einer Verringerung des hydrodynamischen Radius einhergeht. Bei Tandem-Repeat- und Chimera-Typen bleibt der Radius konstant. Dafür skaliert die Diffusionskonstante von Tandem-Repeat-Typen anormal mit der molaren Masse. Die Anisotropie-Messungen werden parallel zu den FCS-Messungen durchgeführt, um einen Einfluss des Fluoreszenzmarkers auszuschließen. Mit Hilfe dieser Technik wird außerdem gezeigt, dass unterschiedliche Dissoziationskonstanten und Kinetiken für den Bindungsprozess innerhalb der Proto-Typ-Gruppe möglichweise auf unterschiedliche Konformationsdynamiken zurückgehen. Der Vergleich von hGal-1 und cG-1B verdeutlicht, dass strukturelle Ähnlichkeiten zwar ein identisches Bindungsverhalten hervorrufen können, der Oxidationsprozess der Proteine aber unterschiedlich ablaufen kann. Beide Methoden können so als sehr sensitive Techniken zur Untersuchung von Strukturmerkmalen bei Galektinen etabliert werden, wobei die Übertragbarkeit auf andere Glykoproteine gewährleistet ist. Weiterhin gilt Quervernetzung als eine der wichtigsten Eigenschaften von Galektinen, da durch die Vernetzung von Glykoproteinen auf der Zelloberfläche Signalwege aktiviert und Immunantworten reguliert werden. Um die räumliche organisation und Quervernetzung von hGal-1 auf den Oberflächen von Neuroblastomzellen nachzuweisen, eignet sich das hochauflösende Mikroskopieverfahren dSTORM sehr gut. Durch Verwendung des photoschaltbaren Fluorophors Alexa647 als spezifischem Marker für hGal-1, einem Standard-Weitfeld-Aufbau und verschiedenen Analyseverfahren, kann eine Clusterformation von hGal-1 auf der Zelloberfläche bestätigt werden. hGal-1 bildet Cluster mit einem mittleren Durchmesser von 81±7 nm aus. Der Durchmesser ist unabhängig von der Konzentration, während die Anzahl der Cluster davon abhängt. Für die Clusterausbildung ist ein Startpunkt, also eine minimale Dichte der Galektin-Moleküle, notwendig. Durch Blockierung der CRDs mit Laktose wird die Clusterbildung unterdrückt und die Spezifität der CRDs gegenüber β-Galaktosen erneut herausgestellt. Anders als dimeres hGal-1 binden Monomere deutlich schlechter an die Membranrezeptoren. Es werden keine Cluster ausgebildet, eine Quervernetzung von Membranrezeptoren ist nicht möglich. Außerdem kann es durch die Monomere zu einer vollständigen Markierung und damit Abkugellung der Zellen kommen. Möglicherweise wird der Zelltod induziert. Hochauflösende Mikroskopieverfahren sind durch den Markierungsprozess limitiert. Die bioorthogonale Click-Chemie eröffnet jedoch neue Möglichkeiten zur Markierung und Visualisierung von Biomolekülen, ohne die Notwenigkeit genetischer Manipulationen. Es werden modifizierte Zuckermoleküle in die Zellmembranen eingebaut, über eine 1,3-polare Cycloaddition mit einem Alkin markiert und ihre Verteilung mit Hilfe von dSTORM untersucht. Es wird nachgewiesen, dass die Zuckermoleküle in Clustern auftreten und Click-Chemie trotz dem Katalysator Kupfer an lebenden Zellen durchführbar ist. Die Bewegung der Gesamtcluster wird mittels Mean Square Displacement aufgeschlüsselt und eine Diffusionskonstante für Cluster im Bereich von 40 - 250 nm bestimmt. Zusammenfassend stellt die Kombination verschiedener Spektroskopie-Techniken ein gutes Werkzeug zur Untersuchung von Karbohydrat-bindendenden Proteinen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung dar und ermöglicht einen neuen Einblick in die Biologie der Galektine.
N2  - The human genome encodes 30,000 to 40,000 proteins of which the majority have covalently linked carbohydrates at the amino acids asparagine, serine, hreonine and hydroxylysine. These so called glycoproteins are embedded in the extracellular matrix and presented on cell surfaces. Glycoproteins are important membrane proteins, which are involved in cell-cell or cell-matrix interactions, protein folding or missfolding and the regulation of immune responses. The glycan chains harbour ideal properties for high-density storage of biological information; they are the basis of the sugar code. To translate its structural information into physiological effects the interplay with endogenous lectins is important. Lectins, among them the family of galectins, translate the sugarbased information into biosignaling. Galectins are carbohydrate-binding proteins that bind β-galactosides. They share a core sequence consisting of 130 amino acids, and a β-sandwich fold with two antiparallel β-sheets. Structurally, they are divided into three groups: proto-types exist as non-covalent dimers of two carbohydrate-recognition domains (CRD). The chimera-types have a lectin and a non-lectin domain and tandem-repeat-types contain of two different CRDs covalently linked by a short peptide. They are differentially expressed by various normal and pathological tissues. Due to the documented relation between lectins and different diseases (tumour growth, immune responses) it is important to study structural properties and their cross-linking ability in solution, especially in view of their intrafamily diversification. Therefore different spectroscopic techniques are used. Intrinsic and extrinsic fluorophores allow fluorescent measurements with high spatial and temporal resolution. Combining FCS and anisotropy measurements structural information about lectins, glycoproteins and their relations are monitored. For prototype galectins the hydrodynamic radius decrease upon ligand binding. Tandemrepeat- and chimera-types do not change their dimensions whereas their diffusion constants, measured with FCS, scale anomalous with the molar mass. Anisotropy measurements are carried out in parallel. Since an intrinsic fluorophore of the protein (tryptophan) is exploited, no labelling is necessary. With the help of this technique I am able to show that different binding constants and kinetics of the binding process within the galectin-family are caused by various conformational dynamics. Comparing hGal1 and cG-1B, the oxidation processes reveal differences despite of structural and binding similarities. These two techniques are very sensitive and applicable to study structural characteristics of galectins. Cross-linking between galetins and glycoproteins on the cell surface have been proposed to function as an „on-off“-switch that regulates cell proliferation, differentiation and immune responsiveness. Direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) provide an opportunity to study the spatial organization and cross-linking ability of hGal-1 interacting with β-galactose specific receptors on the cell surface of neuroblastoma cells. Alexa647, which can be switched reliable between an on- and a very stable off-state, is used as specific galectin marker. Measurements are done on a standard widefield setup and a spot analysis of single molecules in order to resolve clustering and cross-linking of galectins with a spatial resolution of better than 50 nm. The mean cluster size of hGal-1 molecules on the cell surface of neuroblastoma cells is 81±7 nm. The cluster diameter is independent of the protein concentration, a starting point or minimal galectin density for cluster formation is needed and the specificity of the CRDs for galactosides is underlined. Monomeric hGal-1 molecules show a different binding behaviour. On the one hand there are less localizations detectable and on the other hand I find very densly labelled, spherically shaped cells. This can maybe interpreted as hGal1-induced apoptosis. Existing labeling strategies limitate the value of super-resolution microscopy. The bioorthogonal click-chemistry creates a new field for labeling and visualizing biomolecules in vivo without the requirement of genetic manipulation. By hijacking a cell’s biosynthetic machinery, a metabolic precursor functionalized with a bioorthogonal chemical tag is incorporated into target biomolecules, including glycans, lipids, proteins and nucleic acids. Because of this I combine click-chemistry and the super-resolution technique dSTORM for specific labelling of metabolized sugar molecules. The cluster formation of sugar molecules on living and fixed cells in the presence of copper is being studied. Copper has no negative influence on the living cells. The mean square displacement decode cluster movement and determine cluster diameters in the range of 40 - 250 nm. In summary, we show that a combination of various temporal and spatial highresolution fluorescence techniques can be used advantageously to obatin new insights into the biology of galectins.
KW  - Fluoreszenz
KW  - Glykoproteine
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie
KW  - Anisotropie
KW  - dSTORM-Mikroskopie
KW  - Galektine
KW  - Fluorescence
KW  - Microscopy
KW  - anisotropy
KW  - glycoproteins
KW  - galectins
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - dSTORM
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-76665
ER  - 
TY  - THES
A1  - Buback, Johannes
T1  - Femtochemistry of Pericyclic Reactions and Advances towards Chiral Control
T1  - Femtochemie pericyclischer Reaktionen und Fortschritte in Richtung einer chiralen Kontrolle
N2  - Pericyclic reactions possess changed reactivities in the excited state compared to the ground state which complement each other, as can be shown by simple frontier molecular orbital analysis. Hence, most molecules that undergo pericyclic reactions feature two different photochemical pathways. In this thesis an investigation of the first nanoseconds after excitation of Diazo Meldrum’s acid (DMA) is presented. The time-resolved absorption change in the mid-infrared spectral region revealed indeed two reaction pathways after excitation of DMA with at least one of them being a pericyclic reaction (a sigmatropic rearrangement). These two pathways most probably start from different electronic states and make the spectroscopy of DMA especially interesting. Femtochemistry also allows the spectroscopy of very short-lived intermediates, which is discussed in context of the sequential mechanism of the Wolff rearrangement of DMA. An interesting application of pericyclic reactions are also molecular photoswitches, i.e. molecules that can be switched by light between two stable states. This work presents a photoswitch on the basis of a 6-pi-electrocyclic reaction, whose reaction dynamics after excitation are unravelled with transient-absorption spectroscopy for both switching directions. The 6-pi-electrocyclic reaction is especially attractive, because of the huge electronic changes and subsequent absorption changes upon switching between the ring-open and ring-closed form. Fulgides, diarlyethenes, maleimides as well as spiropyrans belong to this class of switches. Despite the popularity of spiropyrans, the femtochemistry of the ring-open form (“merocyanine”) is still unknown to a great extent. The experiments in this thesis on this system combined with special modeling algorithms allowed to determine the quantum efficiencies of all reaction pathways of the system, including the ring-closure pathway. With the knowledge of the reaction dynamics, a multipulse control experiment showed that bidirectional full-cycle switching between the two stable states on an ultrafast time scale is possible. Such a controlled ultrafast switching is a process which is inaccessible with conventional light sources and may allow faster switching electronics in the future. Theoretical calculations suggest an enantioselective photochemistry, i.e. to influence the chirality of the emerging molecule with the chirality of the light, a field called “chiral control”. The challenges that need to be overcome to prove a successful chiral control are extremely hard, since enantiosensitive signals, such as circular dichroism, are inherently very small. Hence, chiral control calls for a very sensitive detection as well as an experiment that cancels all effects that may influence the enantiosensitive signal. The first challenge, the sensitive detection, is solved with a polarimeter, which is optimized to be combined with femtosecond spectroscopy. This polarimeter will be an attractive tool for future chiral-control experiments due to its extreme sensitivity. The second challenge, the design of an artefact-free experiment, gives rise to a variety of new questions. The polarization state of the light is the decisive property in such an experiment, because on the one hand the polarization carries the chiral information of the excitation and on the other hand the change of the polarization or the intensity change dependent on the polarization is used as the enantiosensitive probing signal. A new theoretical model presented in this thesis allows to calculate the anisotropic distribution of any given pump-probe experiment in which any pulse can have any polarization state. This allows the design of arbitrary experiments for example polarization shaped pump-probe experiments. Furthermore a setup is presented and simulated that allows the shot-to-shot switching between mirror-images of light polarization states. It can be used either for control experiments in which the sample is excited with mirror-images of the pump polarization or for spectroscopy purposes, such as transient circular dichroism or transient optical rotatory dispersion. The spectroscopic results of this thesis may serve as a basis for these experiments. The parallel and sequential photochemical pathways of DMA and the feasibility of the bidirectional switching of 6,8-dinitro BIPS in a pump–repump experiment on the one hand offer a playground to test the relation of the anisotropy with the polarization of the pump, repump and probe pulse. On the other hand control experiments with varying pump and repump polarization may be able to take influence on the dynamics after excitation. Especially interesting is the combination of the 6,8-dinitro BIPS with the polarization-mirroring setup, because the closed form (spiropyran) is chiral. Perhaps in the future it will be possible to prove a cumulative circular-dichroism effect or even a chiral control with this system.
N2  - Pericyclische Reaktionen besitzen unterschiedliche Reaktivitäten im elektronischen Grund- und angeregten Zustand, wie anhand einfacher Grenzorbitalbetrachtungen gezeigt werden kann. Deswegen weisen Moleküle die eine pericyclische Reaktion eingehen meist mehrere photochemische Reaktionspfade auf. In dieser Arbeit wird die Femtochemie von Diazo-Meldrumssäure (DMA) utnersucht. Die zeitaufgelösten Absorptionsänderungen im mittleren Infrarotbereich zeigen tatsächlich zwei Reaktionspfade nach Anregung der DMA, von denen zumindest einer eine pericyclische Reaktion ist (eine sigmatrope Umlagerung). Diese zwei Pfade starten vermutlich von unterschiedlichen elektronischen Zuständen, was die Spektroskopie von DMA besonders interessant macht. Besonders kurzlebige Intermediate oder transiente Zustände können mit Hilfe der Femtochemie auch beobachtet werden, was in Zusammenhang mit der Wolff Umlagerung von DMA gezeigt wird. Eine weitere interessante Anwendung pericyclischer Reaktionen sind die molekularen Schalter, also Moleküle die mit Licht zwischen zwei stabilen Zuständen hin und hergeschaltet werden können. In dieser Arbeit wird ein Photoschalter, 6,8-dinitro BIPS, auf Basis einer 6-pi elektrocyclischen Reaktion vorgestellt, dessen Reaktionsdynamiken nach Anregung mit Hilfe transienter Absorption sichtbar gemacht werden. Die 6-pi elektrocyclische Reaktion ist besonders attraktiv, da mit ihr große elektronische Änderungen und somit auch starke Absorptionsänderungen einhergehen beim Schaltvorgang. Fulgide, Diarylethene, Maleimide und Spiropyrane gehören zu dieser Klasse von Schaltern. Trotz der großen Verbreitung der Spiropyrane ist jedoch bisher die Femtochemie der offenen Form ("Merocyanin") zum großen Teil unbekannt. Die Experimente und Modellierungen an diesem System in dieser Arbeit erlauben die Bestimmung der Quanteneffizienzen aller beteiligten Reaktionspfade beider Schaltrichtungen. Mit diesem Wissen ausgestattet konnte ein Multipulse-Kontroll Experiment durchgeführt werden in dem bidirektional zwischen den beiden Zuständen des Photoschalters auf Pikosekunden Zeitskala hin und hergeschaltet wurde. Dieser Prozess ist mit konventionellen Lichtquellen nicht möglich. Laut theoretischen Rechnungen ist eine enantionselektive Photochemie, also die Beeinflussung der Chiralität von gebildeten Produkten einer Photoreaktion, möglich. Dieses Feld wird "chirale Kontrolle" genannt. Die Herausforderungen eine erfolgreiche chirale Kontrolle zu beweisen sind extrem anspruchsvoll, da enantiosensitive Signale, wie zum Beispiel der Zirkulardichroismus, sehr klein sind. Deswegen ist einerseits eine sehr genaue Detektionsmethode notwendig sowie eine experimentelle Anordnung in der Artefakte direkt ausgeschlossen werden. Für die sehr genaue Detektion wurde in dieser Arbeit ein Polarimeter entwickelt, das zudem für die Kombination mit Femtosekundenlaserpulsen optimiert ist. Dieses Polarimeter wird in Zukunft eine attraktive Detektionsmethode für chirale-Kontrollexperimente sein auf Grund seiner extrem guten Sensitivität. Die zweite Herausforderung eine artefaktfreie experimentelle Anordnung zu finden, eröffnet eine Fülle neuer Fragen. Der Polarisationszustand in diesen Experimenten ist die entscheidende Eigenschaft, da einerseits die Polarisation die chirale Information der Anregung trägt und andererseits die Änderung des Polarisationszustands oder der Intensität benutzt wird als enantiosensitives Abfragesignal. Ein neues theoretisches Modell ist in dieser Arbeit präsentiert, das es ermöglicht die anisotropen Verteilungen beliebiger Anrege-Abfrage Experimente mit beliebigen Polarisationszuständen aller beteiligten Pulse zu berechnen. Das ermöglicht den Aufbau beliebiger Anrege-Abfrage Experimente, z.B. polarisationsgeformte Anrege-Abfrage Experimente. Außerdem wird ein Setup vorgestellt und simuliert, das es ermöglicht Schuss-zu-Schuss zwischen spiegelbildlichen Polarisationszuständen des Lichts hin und herzuschalten. Mit diesem Setup können zum Beispiel Kontrollexperimente durchgeführt werden in denen die Probe mit spiegelbildlichen Polarisationszuständen angeregt wird. Des weiteren können mit dem Setup auch Spektroskopieexperimente durchgeführt werden, wie z.B. transienter Zirkulardichroismus oder transiente optische Rotationsdisperision. Die spektroskopische Ergebnisse dieser Arbeit können als Basis dienen für solche Experimente. Die parallelen und sequentiellen photochemischen Pfade des DMA sowie das bidirektionale Schalten des 6,8-dinitro BIPS in einem Anrege-Wiederanrege Experiment bieten viele Möglichkeiten die neuen Zusammenhänge der Anisotropie mit den Polarisationszuständen des Anrege, Wiederanrege oder Abfragestrahls zu überprüfen. Andererseits könnte man mit Kontrollexperimenten mit variierender Anrege und Wiederanregepolarisation Einfluss nehmen auf die induzierten Dynamiken. Besonders interessant ist hier die Kombination des 6,8-dinitro BIPS mit der Polarisationsspiegelungssetups, weil die geschlossene Form (Spiropyran) chiral ist. Vielleicht ist es mit diesem System tatsächlich in der Zukunft möglich einen kumulativen Zirkulardichroismuseffekt oder sogar eine chirale Kontrolle zu zeigen.
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Chiralität <Chemie>
KW  - Anisotropie
KW  - Pericyclische Reaktion
KW  - chirale Kontrolle
KW  - transiente Absorption
KW  - molekulare Schalter
KW  - femtosecond spectroscopy
KW  - chiral control
KW  - anisotropy
KW  - transient absorption
KW  - molecular switch
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66484
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pappert, Katrin
T1  - Anisotropies in (Ga,Mn)As - Measurement, Control and Application in Novel Devices
T1  - Anisotropien in (Ga,Mn)As - Messung, Kontrolle und Anwendung in neuartigen Bauelementen
N2  - Ferromagnetic semiconductors (FS) promise the integration of magnetic memory functionalities and semiconductor information processing into the same material system. The prototypical FS (Ga,Mn)As has become the focus of semiconductor spintronics research over the past years. The spin-orbit mediated coupling of magnetic and semiconductor properties in this material gives rise to many novel transport-related phenomena which can be harnessed for device applications. In this thesis we address challenges faced in the development of an all-semiconductor memory architecture. A starting point for information storage in FS is the knowledge of their detailed magnetic anisotropy. The first part of this thesis concentrates on the investigation of the magnetization behaviour in compressively strained (Ga,Mn)As by electrical means. The angle between current and magnetization is monitored in magnetoresistance(MR) measurements along many in-plane directions using the Anisotropic MR(AMR) or Planar Hall effect(PHE). It is shown, that a full angular set of such measurements displayed in a color coded resistance polar plot can be used to identify and quantitatively determine the symmetry components of the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As at 4 K. We compile such "anisotropy fingerprints" for many (Ga,Mn)As layers from Wuerzburg and other laboratories and find the presence of three symmetry terms in all layers. The biaxial anisotropy term with easy axes along the [100] and [010] crystal direction dominates the magnetic behaviour. An additional uniaxial term with an anisotropy constant of ~10% of the biaxial one has its easy axis along either of the two <110> directions. A second contribution of uniaxial symmetry with easy axis along one of the biaxial easy axes has a strength of only ~1% of the biaxial anisotropy and is therefore barely visible in standard SQUID measurements. An all-electrical writing scheme would be desirable for commercialization. We report on a current assisted magnetization manipulation experiment in a lateral (Ga,Mn)As nanodevice at 4 K (far below Tc). Reading out the large resistance signal from DW that are confined in nanoconstrictions, we demonstrate the current assisted magnetization switching of a small central island through a hole mediated spin transfer from the adjacent leads. One possible non-perturbative read-out scheme for FS memory devices could be the recently discovered Tunneling Anisotropic MagnetoResistance (TAMR) effect. Here we clarify the origin of the large amplification of the TAMR amplitude in a device with an epitaxial GaAs tunnel barrier at low temperatures. We prove with the help of density of states spectroscopy that a thin (Ga,Mn)As injector layer undergoes a metal insulator transition upon a change of the magnetization direction in the layer plane. The two states can be distinguished by their typical power law behaviour in the measured conductance vs voltage tunneling spectra. While all hereto demonstrated (Ga,Mn)As devices inherited their anisotropic magnetic properties from their parent FS layer, more sophisticated FS architectures will require locally defined FS elements of different magnetic anisotropy on the same wafer. We show that shape anisotropy is not applicable in FS because of their low volume magnetization. We present a method to lithographically engineer the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As by submicron patterning. Anisotropic strain relaxation in submicron bar structures (nanobars) and the related deformation of the crystal lattice introduce a new uniaxial anisotropy term in the energy equation. We demonstrate by both SQUID and transport investigations that this lithographically induced uniaxial anisotropy overwrites the intrinsic biaxial anisotropy at all temperatures up to Tc. The final section of the thesis combines all the above into a novel device scheme. We use anisotropy engineering to fabricate two orthogonal, magnetically uniaxial, nanobars which are electrically connected through a constriction. We find that the constriction resistance depends on the relative orientation of the nanobar magnetizations, which can be written by an in-plane magnetic field. This effect can be explained with the AMR effect in connection with the field line patterns in the respective states. The device offers a novel non-volatile information storage scheme and a corresponding non-perturbative read-out method. The read out signal is shown to increase drastically in samples with partly depleted constriction region. This could be shown to originate in a magnetization direction driven metal insulator transition of the material in the constriction region.
N2  - Ferromagnetische Halbleiter (FS) versprechen die Integration von magnetischen Eigenschaften für Speicheranwendungen und halbleitenden Eigenschaften zur Informationsverarbeitung innerhalb des selben Materialsystems. (Ga,Mn)As ist als Modellsystem in den letzten Jahren in den Fokus der Halbleiterspintronik gerückt. Die Kopplung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften über die Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuer Transportphänomene. Sie sind Grundlage neuartiger Anwendungen und Bauteildesigns. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Herausforderungen, die die Entwicklung einer halbleitenden Speicherarchitektur mit sich bringt. Die Kenntnis der magnetischen Anisotropie ist die Grundlage für die magnetische Informationsspeicherung. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Untersuchung des Verhaltens der Magnetisierung in kompressiv verspannten (Ga,Mn)As Schichten durch elektrische Messungen. Bei Magnetfeld-Scans entlang vieler Richtungen in der Schichtebene wird der von Strom und Magnetisierung eingeschlossene Winkel mittels des Anisotropen Magnetowiderstandseffektes(AMR) oder des Planaren Hall Effektes(PHE) beobachtet. Eine winkelabhängige Reihe solcher Messungen, dargestellt in einem farbkodierten Widerstandspolardiagramm, wird zur Identifizierung und quantitativen Bestimmung der Symmetriekomponenten der magnetischen Anisotropie bei 4 K verwendet. Solche „Anisotropiefingerabdrücke" von vielen (Ga,Mn)As Schichten aus Würzburg und anderen Laboratorien bestätigen das Vorhandensein von drei Anisotropiekomponenten bei 4 K. Der vierzählige Anteil mit weichen Achsen entlang der [100] und [010] Kristallrichtung dominiert die magnetischen Eigenschaften. Ein weiterer Anteil, mit zweizähliger Symmetrie, typische Anisotropiekonstante ~10% der vierzähligen, hat seine weiche Achse entlang einer <110> Richtungen. Eine zweite zweizählige Komponente mit weicher Achse entlang [100] oder [010] wird wegen seiner kleinen Anisotropiekonstante (1% der vierzähligen) in SQUID Messungen oft übersehen. Elektrisches Schreiben wäre für kommerzielle Anwendungen interessant. Wir demonstrieren strominduziertes Magnetisierungsschalten in einer lateralen (Ga,Mn)As Struktur bei 4 K. Wir lesen den großen Widerstand aus, der durch das geometrische Confinement von Domänenwänden in Verengungen entsteht. Das stromunterstützte Umschalten der Magnetisierung einer kleinen Insel durch ladungsträger-übermittelten Spin-Transfer von den größeren Zuleitungen kann nachgewiesen werden. Eine Moeglichkeit zur nichtzerstörenden Messung des Magnetisierungszustandes eines Halbleiterspeicherelementes ist die Nutzung des Anisotropen Tunnelmagnetowiderstandseffekts (TAMR). Hier wird der Ursprung der großen Verstärkung des Effektes in einer Struktur mit epitaktisch gewachsenener Tunnelbarriere bei niedrigen Temperaturen untersucht und erklärt. Es wird gezeigt, dass eine dünne (Ga,Mn)As Injektorschicht vom metallischen in den isolierenden Zustand übergeht, wenn die Magnetisierungsrichtung in der Schichtebene gedreht wird. Zustände auf der metallischen Seite des MIT können leicht von Zuständen auf der isolierenden Seite am Anstieg der Tunnelleitfähigkeitskennlinie unterschieden werden. Um den Anforderungen von komplexeren Architekturen und Designs gerecht zu werden, wird hier eine Methode eingeführt, um erstmals die magnetische Anisotropie in (Ga,Mn)As lokal zu kontrollieren. Typische (Ga,Mn)As Strukturen habe eine vernachlässigbar kleine Formanisotropie. Die neuartige Methode zur lokalen Einstellung der magnetischen Anisotropie, beruht auf der Mikrostrukturierung und der damit verbundenen anisotropen Relaxation des Kristallgitters. SQUID- und Transportmessungen demonstrieren die uniaxiale magnetische Anisotropie der lithographisch definierten Submikrometer-Streifen (Nanobars), die im gesamten Temperaturbereich von 4 K bis zu Tc die magnetischen Eigenschaften der Strukturen bestimmt. Im letzten Teil der Arbeit nutzen wir die Anisotropiekontrolle zum Design eines nicht-flüchtigen ferromagnetischen Halbleiter-Speicherelementes. Zwei senkrecht zueinander angeordnete, magnetisch uniaxiale Nanobars sind an einer Ecke über eine Verengung elektrisch verbunden. Die relative Orientierung ihrer Magnetisierungsvektoren wird durch ein Magnetfeld eingestellt. Der geschriebene Magnetisierungszustand bleibt bei ausgeschaltetem Feld erhalten und ist durch die Messung des elektrischen Widerstandes der Verengung auslesbar. Feldlinienbilder der verschiedenen magnetischen Zustände in Kombination mit dem AMR Effekt können dieses Verhalten erklären. Das Auslesesignal, also der Widerstandsunterschied zwischen den Zuständen, kann bedeutend verstärkt werden, indem eine Struktur mit teilweise verarmter Verengung verwendet wird. Wie in der TAMR Struktur, ist die Verstärkung auf einen Metall-Isolator-Uebergang beim Drehen der Magnetisierung zurückzuführen.
KW  - Anisotropie
KW  - Magnetoelektronik
KW  - Ferromagnetikum
KW  - Halbleiter
KW  - Spintronik
KW  - "(Ga
KW  - Mn)As"
KW  - Anisotropie
KW  - Bauelemente
KW  - Datenspeicher
KW  - Spintronics
KW  - "(Ga
KW  - Mn)As"
KW  - Anisotropy
KW  - devices
KW  - memory
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23370
ER  -