The combination of direct laser interference patterning (DLIP) with laser-induced periodic surface structures (LIPSS) enables the fabrication of functional surfaces reported for a wide spectrum of materials. The process throughput is usually increased by applying higher average laser powers. However, this causes heat accumulation impacting the roughness and shape of produced surface patterns. Consequently, the effect of substrate temperature on the topography of fabricated features requires detailed investigations. In this study, steel surfaces were structured with line-like patterns by ps-DLIP at 532 nm. To investigate the influence of substrate temperature on the resulting topography, a heating plate was used to adjust the temperature. Heating to 250°C led to a significant reduction of the produced structure depths, from 2.33 to 1.06 µm. The reduction is associated with the appearance of a different LIPSS type, depending on the grain orientation of the substrates and laser-induced superficial oxidation. This study revealed a strong effect of substrate temperature, which is also to be expected when heat accumulation effects arise from processing surfaces at high average laser power.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Wachstum von Dünnschichtstrukturen, die zur Herstellung eines Spin-selektiven Schottky-Barrier-Tunneltransistors (SS-SBTT) erforderlich sind. Das Bauelement basiert auf dem Transport von Ladungsträgern durch eine dünne halbleitende (SC) Schicht, die zwei ferromagnetische (FM) Kontakte trennt. Daher müssen hochqualitative und gitterangepasste vertikale FM/SC/FM-Trilayer gezüchtet werden, was aufgrund der inkompatiblen Kristallisationsenergien zwischen SC und Metallen eine experimentelle Herausforderung darstellt. Das Problem wurde mit einem Festphasenepitaxie-Ansatz gelöst, bei dem eine dünne amorphe Ge-Schicht (4-8 nm) durch Ausglühen über Fe3Si auf GaAs(001)-Substraten kristallisiert wird. Langsame Glühgeschwindigkeiten bis zu einer Temperatur von 260°C konnten ein neues gitterangepasstes Polymorph von FeGe2 erzeugen, über das ein zweites Fe3Si mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet werden könnte. SQUID-Magnetometermessungen zeigen, dass die dreischichtigen Proben in antiparallele Magnetisierungszustände versetzt werden können. Vertikale Spin-Ventil-Bauelemente, die mit verschiedenen Trilayern hergestellt wurden, wurden verwendet, um zu demonstrieren, dass der Ladungstransport über die Heteroübergänge spinselektiv ist und bei Raumtemperatur einen Magnetowiderstand von höchstens 0,3% aufweist. Der Effekt nimmt bei niedrigen Temperaturen ab, was mit einem ferromagnetischen Übergang in der FeGe2-Schicht korreliert. Durch TEM- und XRD-Experimente konnte festgestellt werden, dass das neue FeGe2-Polymorph die Raumgruppe P4mm aufweist und bis zu 17% Si-Atome als Ersatz für Ge-Stellen enthält. Die Isolierung von FeGe2 war möglich, indem das Verhältnis von Fe-, Si- und Ge-Atomen so eingestellt wurde, dass die richtige Stöchiometrie bei vollständiger Durchmischung erreicht wurde. Anhand von FeGe2-Dünnschichten wurde ein zunehmender spezifischer Widerstand bei niedriger Temperatur und ein semi-metallischer Charakter beobachtet. / This thesis discusses the growth of thin film structures required to fabricate a Spin-Selective Schottky Barrier Tunnel transistor (SS-SBTT). The device relies on charge carriers being transported through a thin semiconducting (SC) layer separating two ferromagnetic (FM) contacts. Thus, high quality and lattice-matched FM/SC/FM vertical trilayers must be grown, which is experimentally challenging due to incompatible crystallization energies between SC and metals. The problem was solved using a solid-phase epitaxy approach, whereby a thin amorphous layer of Ge (4-8 nm) is crystallized by annealing over Fe3Si on GaAs(001) substrates. Slow annealing rates up to a temperature of 260°C could produce a lattice-matched Ge-rich compound, over which a second Fe3Si could be grown my molecular-beam epitaxy. The compound obtained during annealing is a new layered polymorph of FeGe2. SQUID magnetometry measurements indicate that the trilayer samples can be placed in states of antiparallel magnetization. Vertical spin valve devices created using various trilayers were used to demonstrate that charge transport is spin-selective across the heterojunctions, showing a magnetoresistance of at most 0.3% at room temperature. The effect decreases at low temperature, correlating with a ferromagnetic transition in the FeGe2 layer. TEM and XRD experiments could determine that the new FeGe2 polymorph has a space group P4mm, containing up to 17% Si atoms substituting Ge sites. Isolating FeGe2 was possible by tuning the proportion Fe, Si and Ge atoms required to obtain the right stoichiometry upon full intermixing. Hall bars fabricated on FeGe2 thin films were used to observe an increasing resistivity at low temperature and semimetallic character.

Hochfeste Leitermaterialien werden für gepulste Hochfeld-Magnetspulen benötigt, um damit die sehr hohen Magnetfelder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 100 T zerstörungsfrei erzeugen zu können. Cu-Nb-Legierungen besitzen ein hohes Potential, um die widersprüchlichen Anforderungen an das Leitermaterial, wie hohe Festigkeit, hohe Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit, zu erfüllen. Die Herstellung von Cu-Nb-Legierungen ist jedoch auf dem konventionellen Weg der Schmelzmetallurgie aufgrund der vernachlässigbar kleinen gegenseitigen Randlöslichkeit der beiden Komponenten sehr kompliziert. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchengen zur Technologie für die Herstellung von hochfesten Cu-Nb-Leitermaterialien auf der Basis der Pulvermetallurgie. Gleichermaßen ist die Entwicklung der Legierung Kerninhalt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritte sowohl die Entwicklung des Gefüges als auch die für die Anwendung relevanten Eigenschaften der Legierung untersucht und die Beziehungen zwischen Gefüge und mechanischen wie auch elektrischen Eigenschaften ermittelt.

This work has been devoted to the study of phase transformations involving chemical ordering and magnetic properties evolution in bulk Fe-Pt alloys composed of nanometer-sized grains. A comprehensive study of phase transformations and ordering in Fe-Pt alloys is performed by a combination of in-situ neutron powder diffraction and thermal analysis. The dependence of ordering processes on the alloy composition and initial microstructure (homogeneous A1 phase or multilayer-type) is established. Through the use of mechanical alloying and subsequent heat treatment it has been possible to achieve the formation of chemically highly ordered L10 FePt and, in the case of the Fe-rich and Pt-rich compositions, L12 Fe3Pt and FePt3 phases, respectively. Whereas in Pt-rich alloys the decoupling effect of the FePt3 phase leads to coercivity improvement, in Fe-rich nanocomposites a peculiar nanometer scale multilayer structure gives rise to remanence enhancement due to large effects of exchange interactions between the crystallites of the phases. The structure, magnetic properties and magnetisation reversal processes of these alloys are investigated. Experimentally observed phenomena are understood on the basis of a simple two-particle interaction model. Neutron diffraction has also been used for the investigation of the magnetic structure of ordered and partially ordered nanocrystalline Fe-Pt alloys. It has been shown that the magnetic moment of Fe atoms in L10-type Fe Pt alloys is sensitive to the compositional order. The results are compared to density functional calculations.

Thin amorphous films of binary aluminum-chromium alloys have been produced by flash evaporation and characterized by means of electron diffraction and measurements of transport properties. Beside the known effect of hybridization on the phase stability an additional structure forming mechanism could be identified in the aluminum-chromium alloys and other amorphous binary aluminum-transition-metal alloys as well. A systematical influence of the transition-metal-d-electrons on the plasma resonance energies was found. / Es wurden amorphe Schichten von binären Aluminium-Chrom-Legierungen mit Hilfe abschreckender Kondensation aus der Gasphase hergestellt und einer elektronischen und strukturellen Charakterisierung unterzogen. Neben dem bereits bekannten Einfluss von Hybridisierungsmechanismen auf die Strukturbildung und Stabilität der amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen, konnte ein weiterer Ordnungsmechanismus bei hohen Chrom-Anteilen gefunden werden. Im Vergleich mit anderen, bereits früher untersuchten, binären amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Lergierungen, konnte gezeigt werden, dass dieses Verhalten auch dort auftritt. Desweiteren konnte eine Systematik im Einfluss der Übergangsmetall-d-Elektronen auf die Plasmaresonanz der Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen gefunden werden.

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Hochfeste Leitermaterialien werden für gepulste Hochfeld-Magnetspulen benötigt, um damit die sehr hohen Magnetfelder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 100 T zerstörungsfrei erzeugen zu können. Cu-Nb-Legierungen besitzen ein hohes Potential, um die widersprüchlichen Anforderungen an das Leitermaterial, wie hohe Festigkeit, hohe Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit, zu erfüllen. Die Herstellung von Cu-Nb-Legierungen ist jedoch auf dem konventionellen Weg der Schmelzmetallurgie aufgrund der vernachlässigbar kleinen gegenseitigen Randlöslichkeit der beiden Komponenten sehr kompliziert. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchengen zur Technologie für die Herstellung von hochfesten Cu-Nb-Leitermaterialien auf der Basis der Pulvermetallurgie. Gleichermaßen ist die Entwicklung der Legierung Kerninhalt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritte sowohl die Entwicklung des Gefüges als auch die für die Anwendung relevanten Eigenschaften der Legierung untersucht und die Beziehungen zwischen Gefüge und mechanischen wie auch elektrischen Eigenschaften ermittelt.

Thin amorphous films of binary aluminum-chromium alloys have been produced by flash evaporation and characterized by means of electron diffraction and measurements of transport properties. Beside the known effect of hybridization on the phase stability an additional structure forming mechanism could be identified in the aluminum-chromium alloys and other amorphous binary aluminum-transition-metal alloys as well. A systematical influence of the transition-metal-d-electrons on the plasma resonance energies was found. / Es wurden amorphe Schichten von binären Aluminium-Chrom-Legierungen mit Hilfe abschreckender Kondensation aus der Gasphase hergestellt und einer elektronischen und strukturellen Charakterisierung unterzogen. Neben dem bereits bekannten Einfluss von Hybridisierungsmechanismen auf die Strukturbildung und Stabilität der amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen, konnte ein weiterer Ordnungsmechanismus bei hohen Chrom-Anteilen gefunden werden. Im Vergleich mit anderen, bereits früher untersuchten, binären amorphen Aluminium-Übergangsmetall-Lergierungen, konnte gezeigt werden, dass dieses Verhalten auch dort auftritt. Desweiteren konnte eine Systematik im Einfluss der Übergangsmetall-d-Elektronen auf die Plasmaresonanz der Aluminium-Übergangsmetall-Legierungen gefunden werden.

Hochfeste kupferhaltige Aluminiumlegierungen gelten gemeinhin als „schwer“ anodisierbar, deshalb werden in der vorliegenden Arbeit werkstoffseitige und prozessseitige Maßnahmen zur Verbesserung der Schichtqualität erforscht. Zur eindeutigen Abgrenzung des Einflusses der Cu-Verteilung vom Einfluss anderer Legierungselemente und Verunreinigungen wurde für die Anodisierexperimente zusätzlich zur kommerziellen Legierung EN AW-2024 die hochreine Modelllegierung AlCu4 als Untersuchungswerkstoff gewählt. Insbesondere für die Modelllegierung AlCu4 konnte erstmals eine systematische Veränderung des Schichtbildungsmechanismus beschrieben werden. Mit zunehmender Ausscheidungsbildung nimmt das Ausmaß der Sauerstoffentwicklung ab, woraus erhöhte Schichtdicken und -härten folgen. Die nach Anodisieren der warmausgelagerten Zustände erhaltenen Schichtmikrostrukturen wurden erstmals im Rahmen dieser Arbeit mittels Rasterelektronenmikroskopie beschrieben. Aufgrund reduzierter Schichtrücklösung sind auch auf der Legierung EN AW-2024 im warmaus-gelagerten und überalterten Zustand höhere Schichtdicken und -härten für eine Elektrolyttemperatur von 20 °C erzielbar. Bei einer Elektrolyttemperatur von 5 °C können die Schichtdicke und -härte vor allem durch Zugabe von Additiven zum schwefelsauren Grundelektrolyt gesteigert werden. Im Unterschied zu konventionellen organischen Additiven resultiert die Zugabe von Salpetersäure darüber hinaus in einer Absenkung der Anodisierspannung zu Prozessbeginn und damit in einer Reduzierung der erforderlichen elektrischen Energie. Mit steigender Additivkonzentration nimmt jedoch die Ritzbeständigkeit der Schichten infolge erhöhter Mikrorissigkeit ab. Es ist folglich ein Optimum aus Schichthärte und Mikrorissigkeit zu finden. / High-strength aluminum-copper alloys are generally recognized to be “hardly” anodizable. Hence, the influences of material and process parameters were investigated within this work in order to improve the coating properties. Apart from the commercial alloy EN AW-2024, the high purity model alloy AlCu4 was used for the anodizing experiments in order to distinguish between the influence of the copper distribution and the influence of other alloying elements and impurities. Regarding the model alloy AlCu4, a systematic change of the coating growth mechanism was described for the first time. The extent of oxygen evolution decreases with the intensification of the precipitation leading to increased coating thickness and hardness. In this work, the coating microstructures, resulting from the anodic oxidation of the artificially aged conditions, were described by scanning electron microscopy, for the first time. Due to reduced chemical dissolution of the coatings, higher coating thickness and hardness can also be achieved after room-temperature anodizing of the alloy EN AW-2024 in the artificially aged conditions. For hard-anodizing at an electrolyte temperature of 5 °C, the coating thickness and hardness can be particularly improved by using additives in combination with the sulfuric acid base electrolyte. Beyond that and in contrast to the effect of conventional organic additives, the addition of nitric acid enables the reduction of the anodizing voltage at the beginning of the process and therefore, the reduction of the required electrical energy. However, the scratch resistance of the coatings decreases with increasing additive concentration due to the occurrence of micro crack networks. Consequently, the coating hardness and the amount of microcracks have to be optimized in order to meet concrete application requirements.

Dendritic solidification has been the subject of continuous research, also because of its high importance in metal production. The challenge of predicting macroscopic material properties due to complex solidification processes is complicated by the multiple physical scales and phenomena involved. Practical modeling approaches are still subject to significant limitations due to remaining gaps in the systematic understanding of dendritic microstructure formation. The present work investigates some of these problems at the microscopic level of interfacial morphology using phase-field simulations. The employed phase-field models are implemented within a finite-element framework, allowing efficient and scalable computations on high-performance computing facilities. Particular emphasis is placed on the evolution and interaction of dendrite sidebranches in the broader context of dendrite fragmentation, varying and dynamical solidification conditions.