Studie van de wederzijdse interacties tussen supergeleider en ferromagneet in hybridesystemen met magnetische modulatie op nanometerschaal.

Een belangrijk aspect van nanotechnologie is het begrijpen hoe eigenschappen evolueren wanneer de systeemdimensies gereduceerd worden tot de nanoschaal. Ruimtelijke opsluiting van fononen in nanostructuren kan een zeer sterke invloed hebben op de fonon toestandsdichtheid en de gerelateerde eigenschappen. Ondanks het belang van het vibrationele gedrag van nanostructuren te kunnen doorgronden, zijn rooster trillingen in nanostructuren tot op heden relatief weinig bestudeerd omwille van de moeilijkheid om de fonon toestandsdichtheid op nanoschaal experimenteel te kunnen bekomen.
In dit werk werd Sn geselecteerd als modelsysteem voor het bestuderen van de fonon eigenschappen en hun nauwe relatie tot supergeleiding en structurele fase transities in nanosystemen.

In het eerste deel van dit werk worden de resultaten betreffende de coexistentie van supergeleiding en ferromagnetisme in Sn-Co nanosamenstellingen gepresenteerd. Dit werk illustreert het nauwe samenspel tussen morfologie, compositie, supergeleiding en magnetisme in complexe nanosamenstellingen. Om een dieper inzicht te kunnen bereiken in hoe supergeleiding verandert op nanoschaal hebben we ons in het bijzonder gefocusseerd op de rol van rooster trillingen in Sn nanosystemen. Een eerste grote uitdaging was om de fonon toestandsdichtheid te bepalen van nanoschaal Sn systemen door nucleaire inelastische x-stralen verstrooiingsexperimenten.

Van het fonongedrag van Sn nano eilanden, cluster-geassembleerde filmen en nanodeeltjes ingebed in een matrix kon besloten worden dat atomen met een gereduceerde coördinatie een verhoging van laag-energetische fonon toestanden veroorzaken, als een gevolg van hun gereduceerde symmetrie en coördinatie in vergelijking met bulk Sn atomen. Fonon demping (aangegeven door een verlaagde waarde van de kwaliteitsfactor) neemt toe met afnemende grootte van de Sn nanostructuren. De fonon demping kon gekwantificeerd worden met het gedempte harmonische oscillator model.

Van de fonon toestandsdichtheid van de Sn nanosystemen konden verscheidene thermodynamische eigenschappen afgeleid worden. In het algemeen werd gevonden dat de toename in de gemiddelde atomaire verplaatsing, vergezeld door een afname van de gemiddelde kracht constante, schaalt met de fractie van atomen in korrelgrenzen of atomen aan het oppervlak.

Na de uitdaging om de fonon toestandsdichtheid te kunnen bekomen en om meer inzicht te krijgen in het vibrationele gedrag in Sn nanostructuren was het doel om de veranderingen in de fonon toestandsdichtheid te correleren met de veranderingen in het supergeleidend gedrag van nanoschaal Sn en om de rol van fononen in de geobserveerde toename van de supergeleidende transitie temperatuur in Sn nanosystemen te kwantificeren. Het meten van de fonon toestandsdichtheid in Sn nanosystemen laat toe om elektron en fonon opsluitingseffecten, die voorkomen wanneer de dimensies van een systeem drastisch gereduceerd worden, van elkaar te onderscheiden. Tc werd berekend op basis van de fonon toestandsdichtheid van de Sn nano eilanden en de cluster-geassembleerde filmen. Deze berekende waarden voor Tc werden vergeleken met de experimenteel bekomen waarden en een goede overeenkomst werd gevonden. Er werd besloten dat fonon opsluitingseffecten een dominante rol spelen, terwijl elektron opsluitingseffecten een minimale rol spelen in de geobserveerde toename in Tc.

Het laatste doel van de thesis was om de rol van fononen in de alfa-Sn naar beta-Sn fase transitie in dunne Sn filmen te bepalen. Door numerieke integratie van de berekende en experimenteel gemeten fonon spectra kon de vrije energie als functie van de temperatuur bekomen worden. Vanuit deze vrije energiecurves werd gevonden dat de fase transitie van de alfa-Sn fase naar de beta-Sn fase een entropie-gedreven transitie is. De transitie vindt plaats doordat de vibrationele entropie van de beta-Sn fase sneller toeneemt met temperatuur dan voor de alfa-Sn fase. Er werd besloten dat fononen inderdaad een essentiële rol spelen in de fase transformatie in Sn.

Sn lagen in de alfa-Sn fase werden gestabiliseerd op een InSb substraat waarbij de dikte van de laag het energieverschil tussen een alfa-Sn laag onder spanning en de introductie van een dislocatie (wat leidt tot de beta-Sn fase) bepaalt. Dus, de alfa-Sn naar beta-Sn fase transitie in dunne lagen gegroeid op een substraat, is een gevolg van het samenspel tussen het vibrationele gedrag aan de ene kant en de stabiliserende invloed van het substraat aan de andere kant. Er werd besloten dat, terwijl de vibrationele entropie per atoom (wat bepaald wordt door het fonongedrag) ervoor zorgt dat de fase transitie plaatsvindt, het de dikte van de alfa-Sn laag is die bepaalt op welke  temperatuur de fase transitie zal plaatsvinden.