Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

University, Diss., 2005--Osnabrück.

Proefschrift Universiteit Maastricht. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2009

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kontinuierlichen FePt-L10-Dünnschichten. Der Fokus liegt dabei auf den strukturellen Eigenschaften der FePt-Legierung in der chemisch geordneten L10-Phase und deren Auswirkungen auf magnetische Eigenschaften des Systems. Die Quantifizierung der chemischen Ordnung erfolgte durch Röntgenbeugung (XRD). Die magnetische Hysterese wurde durch SQUID-VSM untersucht. Die Analyse der Oberflächentopografie erfolgte mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM). Es konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von L10-geordneten und gleichzeitig kontinuierlichen FePt-Schichten mittels Magnetronsputterdeposition bei hohen Temperaturen von 500°C bis 600°C möglich ist. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der senkrechten magnetokristallinen Anisotropie von der chemischen Ordnung untersucht. Es konnte eine Anisotropieenergiedichte von 27 Merg/ccm erreicht werden.:1 Einleitung 2 Theorie 2.1 Magnetische Materialien 2.1.1 Grundlagen 2.1.2 Magnetische Hysterese 2.1.3 Magnetische Anisotropie 2.2 FePt-Legierungen 2.2.1 Strukturelle Eigenschaften und chemische Ordnung 2.2.2 Magnetische Eigenschaften 3 Experimentelle Methoden 3.1 Magnetronsputterdeposition 3.2 Röntgenbeugung und Röntgenreflektometrie 3.2.1 Röntgenbeugung 3.2.2 Röntgenreflektometrie 3.3 Rasterkraftmikroskopie 3.4 Magnetometrie 3.5 Transmissionselektronenmikroskopie 3.6 Rutherfordrückstreuspektrometrie 3.7 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 4 Qualität der MgO-Substrate 5 Hergestellte FePt-Schichten 6 Ergebnisse 6.1 Chemische Ordnung von FePt 6.2 Kontinuität von dünnen FePt-Schichten 6.2.1 Oberflächenanalyse mit Rasterkraftmikroskopie 6.2.2 Hinweise auf kontinuierliche Schichten 6.2.3 Verunreinigungen der Probenoberfläche 6.3 Magnetische Eigenschaften von FePt 7 Zusammenfassung 8 Ausblick Literatur

In dynamic CE MR perfusion imaging the passage of an intravenously injected CA bolus through tissue is monitored to assess the myocardial pefusion state. To enable this, knowledge of the shape of CA wash-in through upstream epicardial vessels is required, the so-called AIF. For technical reasons this cannot be quantified directly in the supplying vessels and is thus measured in the left ventricle, which introduces the risk of systematic errors in quantification of MBF due to bolus dispersion in coronary vessels. This means occuring CA dispersion must be accounted in the quantification process in order to produce reliable and reproducible results. In order to do this, CFD simulations are performed to analyze and approximate these errors and deepen insights and knowledge gained from previous CFD analyses on both idealized as well as realistic and pathologically altered 3D geometries. In a first step, several different procedures and approaches are undertaken in order to accelerate the performed workflow, however, maintaining a sufficient degree of numerical accuracy. In the end, the implementation of these steps makes the analysis of the cardiovascular 3D model of unprecedented detail including vessels at pre-arteriolar level feasible at all. The findings of the Navier-Stokes simulations are thus validated with regard to different aspects of cardiac blood flow. These include the distribution of VBF into the different myocardial regions, the areals, which can be associated to the large coronary arteries as well as the fragmentation of VBF into vessels of different diameters. The subsequently performed CA transport simulations yield results on the one hand confirming previous studies. On the other hand, interesting additional knowledge about the behavior of CA dispersion in coronary arteries is obtained both regarding travelled distance as well as vessel diameters. The relative dispersion of the so-called vascular transport function, a characterizing feature of vascular networks, shows a linear decrease with vessel diameter. This results in asymptotically decreased additional dispersion of the CA time curve towards smaller and more distal vessels. Nonetheless, perfusion quantification errors are subject to strong regional variability and reach an average value of $(-28\pm16)$ \% at rest across the whole myocardium. Depending on the distance from the inlet and the considered coronary tree, MBF errors up to 62 \% are observed. / Bei der Messung der myokardialen Perfusion mittels Kontrastmittel (KM)-gestützter Magnet Resonanz Tomographie (MRT) wird die zeitliche Entwicklung der Anströmung eines intravenös injizierten Kontrastmittel-Bolus im Herzmuskelgewebe gemessen und hinsichtlich des Myokardialen Blutflusses (MBF) ausgewertet. Zusätzlich zum Signal des KM im Gewebe ist für eine Quantifizierung des MBF außerdem aber die sogenannte arterielle Eingangsfunktion (AEF) notwendig. Diese Funktion beschreibt, wie das KM durch das versorgende koronare Blutgefäß ins Gewebe einströmt. Aus technischen Gründen ist die AEF nicht direkt messbar, weshalb sie in der Regel im großen Blutvolumen des linken Ventrikels bestimmt wird. Da der KM-Bolus auf dem Weg vom linken Ventrikel aufgrund der Strömungsverhältnisse in den Herzkranzgefäßen einer zeitlichen und räumlichen Veränderung, sogenannter Dispersion unterliegt, birgt die Verwendent der AEF aus dem linken Ventrikel das Risiko systematischer Fehler bei der MBF-Quantifizierung mit dieser Methode. Für eine reproduzierbare und verlässliche Perfusionsmessung mittels KM-gestützter MRT ist daher die Berücksichtigung der Bolus-Dispersion zwingend erforderlich. Um diese Effekte zu untersuchen und eine Fehlerabschätzung zu ermöglichen, werden in dieser Arbeit fluid-mechanische Berechnungen (Computational Fluid Dynamics, CFD) des Blutflusses und KM-Transports in 3D Geometrien von Herzkranzgefäßen durchgeführt. CFD Simulationen auf realistischen Gefäßgeometrien, wie sie hier präsentiert werden, gehen mit speziellen Anforderungen einher. Dies betrifft sowohl die technische Durchführbarkeit als auch die Wahl der Randbedingungen um physiologisch korrekte Ergebnisse zu erhalten. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Ansätze angewendet und validiert, um die zeitlich effiziente aber dennoch numerisch akkurate Berechnung des Blutflusses und KM-Transports in hochdetaillierten 3D Geometrien der kardialen Vaskulatur unter Verwendung realistischer Randbedingungen überhaupt erst zu ermöglichen. Anschließend werden die Ergebnisse der Blutfluss-Simulationen hinsichtlich verschiedener Aspekte validiert. Dies beinhaltet sowohl die Verteilung des gesamten Blutvolumens in die verschiedenen Regionen des Myokards, die Zuordnung dieser Regionen zu den großen epikardialen Gefäßen (die rechte und die Hauptadern der linken Koronarie) sowie das Verhältnis des Volumen-Blut-Flusses zur Größe des betrachteten Gefäßes. Anschließend werden die Ergebnisse der Blutfluss-Simulationen verwendet, um die CFD-Analyse des KM-Transports in den kleinen koronaren Gefäßen durchzuführen. Diese Analysen bestätigen zum Einen die Erkenntnisse aus vorherigen Arbeiten, liefern jedoch wichtige neue Erkenntnisse über auftretende KM-Dispersion in Abhängigkeit sowohl des Gefäßdurch\-messers als auch des zurückgelegten Wegs des KM. Hierfür wird die sogenannte vaskuläre Transportfunktion (VTF) verwendet. Sie beschreibt die Veränderung der AEF auf dem Weg vom linken Ventrikel durch die Herzkranzgefäße aufgrund der Gefäßbeschaffenheit. Die relative Dispersion (RD) der VTF kann als charakteristische Größe eines vaskulären Netzwerks betrachtet werden und die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine lineare Abnahme der RD mit dem Gefäßdurchmesser. Dies hat zur Folge, dass die zeitliche Verbreiterung der AEF selbst eine asmptotische Sättigung in kleineren distalen Gefäßen aufweist. Nichtsdestotrotz zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Fehler der Perfusionsquantifizierung mit Bolus-basierten MRT-Messungen starker regionaler Variabilität unterliegen. Im Ruhezustand beträgt dieser Fehler $(-28\pm16)$ \% im Durchschnitt über den gesamten Herzmuskel. In Abhängigkeit vom Abstand zum Inlet des Gefäßmodells und des betrachteten Koronarbaums wird eine maximale Unterschätzung von bis zu 62 \% beobachtet.

In der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften verschiedener 3d-Übergangsmetalloxidketten (TMO-Ketten) auf Ir(001) und Pt(001) untersucht. Diese weisen eine (3 × 1) Struktur mit periodisch angeordneten Ketten auf, die nur über die Sauerstoffbindung an das Substrat gekoppelt sind. Während die Struktur durch experimentelle und theoretische Untersuchungen bestätigt ist, liegen für die magnetischen Eigenschaften ausschließlich Rechnungen vor. Zur Überprüfung dieser theoretischen Vorhersagen wird die Methode der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) verwendet, die die Abbildung der magnetischen Ordnung mit atomarer Auflösung erlaubt. Die Untersuchungen beginnen mit der Vorstellung der Ir(001) Oberfläche, die eine (5 × 1) Rekonstruktion aufweist. Eine Aufhebung dieser Rekonstruktion erreicht man durch das Heizen des Ir-Substrats in Sauerstoffatmosphäre unter Bildung einer (2 × 1) Sauerstoffrekonstruktion. Die Qualität der Oberfläche hängt dabei von der Wachstumstemperatur T und dem verwendeten Sauerstoffdruck pOx ab. Die bei T = 550°C und pOx = 1 × 10^−8 mbar hergestellte Sauerstoffrektonstruktion dient als Ausgangspunkt für die folgenden Präparationen von CoO2, FeO2 und MnO2-Ketten. Dazu wird jeweils eine drittel Monolage (ML) des Übergangsmetalls auf die Oberfläche des Substrates gedampft und die Probe unter Sauerstoffatmosphäre ein weiteres Mal geheizt. Auf diese Weise kann die (3 × 1) Struktur der bekannten Ketten bestätigt und die Gruppe der TMO-Ketten um die CrO2-Ketten erweitert werden. In der einschlägigen Fachliteratur wurden Vorhersagen bezüglich der magnetischen Struktur der TMO-Ketten publiziert, wonach entlang und zwischen CoO2-Ketten eine ferromagnetische (FM) und für FeO2 und MnO2-Ketten eine antiferromagnetische (AFM-) Kopplung vorliegt.Während die Überprüfung dieser Vorhersagen mit SP-STM für CoO2 und CrO2-Ketten keine Hinweise auf magnetische Strukturen liefert, liegen bei FeO2 und MnO2-Ketten unterschiedliche magnetische Phasen vor. In der Tat kann mit den experimentell gefundenen Einheitszellen die AFM-Kopplung entlang beider Ketten bestätigt werden. Im Gegensatz widersprechen die Kopplungen zwischen den Ketten den Berechnungen. Bei FeO2-Ketten liegt eine stabile FM Ordnung vor, die zu einer magnetischen (3 × 2) Einheitszelle mit einer leichten Magnetisierung in Richtung der Oberflächennormalen führt (out-of-plane). Die MnO2-Ketten weichen ebenfalls von der berechneten magnetischen kollinearen Ordnung zwischen benachbarten Ketten ab und zeigen eine chirale Struktur. Durch die Rotation der Mn-Spins um 120° in der Probenebenen (in-plane) entsteht eine magnetische (9 × 2) Einheitszelle, deren Periode durch neue DFT-Rechnungen bestätigt wird. Nach diesen Berechnungen handelt es sich um eine Spinspirale, die durch die Dzyaloshinskii-Moriya (DM-) Wechselwirkung bei einem Energiegewinn von 0,3 meV pro Mn-Atom gegenüber den kollinearen FM Zustand stabilisiert wird. Diese wird ähnlich wie bei bereits publizierten Clustern und Adatomen auf Pt(111) durch die Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY-) Wechselwirkung vermittelt und erklärt den experimentell gefundenen einheitlichen Drehsinn der Spiralen. Die RKKY-Wechselwirkung zeigt eine starke Abhängigkeit von der Fermi-Oberfläche des Substrats. Im folgenden Kapitel werden deshalb mit TMO-Ketten auf Pt(001) die strukturellen und magnetischen Eigenschaften auf einem weiteren Substrat analysiert, wobei zum Zeitpunkt der Arbeit nur die Existenz der CoO2-Ketten aus der Literatur bekannt war. Vergleichbar mit Ir(001) besitzt auch Pt(001) eine rekonstruierte Oberfläche, die sich aber stabil gegenüber Oxidation zeigt. Dadurch muss die drittel ML des Übergangsmetalls direkt auf die Rekonstruktion aufgedampft werden. Das Wachstum des Übergangsmetalls ist dabei von der Temperatur des Substrats abhängig und beeinflusst das Ergebnis der nachfolgenden Oxidation. Diese erfolgt analog zum Wachstum der Ketten auf Ir(001) durch das Heizen der Probe in Sauerstoffatmosphäre und resultiert nur für das Aufdampfen des Übergangsmetalls auf kalte Pt(001) Oberflächen in Ketten mit der Periode von 3aPt. Auf diese Weise kann nicht nur die (3 × 1) Struktur der CoO2-Ketten bestätigt werden, sondern auch durch atomare Auflösung die Gruppe der TMO-Ketten um MnO2-Ketten auf Pt(001) erweitert werden. Im Gegensatz dazu sind die nicht magnetischen Messungen im Fall von Fe nicht eindeutig. Zwar liegen auch hier Ketten im Abstand des dreifachen Pt Gittervektors vor, trotzdem ist die (3 × 1) Struktur nicht nachweisbar. Dies liegt an einer Korrugation mit einer Periode von 2aPt entlang der Ketten, was ein Hinweis auf eine Peierls Instabilität sein kann. Entsprechend dem Vorgehen für Ir(001) werden für die TMO-Ketten auf Pt(001) SP-STM Messungen durchgeführt und die Vorhersage einer AFM-Kopplung für CoO2-Ketten überprüft. Auch hier können, wie im Fall von CoO2-Ketten und im Widerspruch zur Vorhersage, für beide Polarisationsrichtungen der Spitze keine magnetischen Strukturen gefunden werden. Darüber hinaus verhalten sich die MnO2-Ketten auf Pt(001) mit ihrer chiralen magnetischen Struktur ähnlich zu denen auf Ir(001). Dies bestätigt die Annahme einer indirekten DM-Wechselwirkung, wobei durch die 72° Rotation der Mn-Spins eine längere Periode der zykloidalen Spinspirale festgestellt wird. Die Erklärung dafür liegt in der Abhängigkeit der RKKY-Wechselwirkung vom Fermi-Wellenvektor des Substrats, während sich die DM-Wechselwirkung beim Übergang von Ir zu Pt nur wenig ändert. / In this work the structural and magnetic properties of various 3d transition-metal oxide (TMO) chains on Ir(001) and Pt(001) are investigated. These exhibit a (3 × 1) structure with periodically arranged chains that are only coupled to the substrate by oxygen bonds. While the structure is confirmed by experiments and theory, the magnetic coupling is merely available by theory. To verify these theoretical predictions, the method of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) is used, which enables the detection of magnetic nanostructures by the high lateral resolution. First the Ir(001) surface is introduced, which exhibits a (5×1) reconstruction. Removal of this reconstruction is achieved by heating the Ir substrate in oxygen atmosphere to form a (2 × 1) oxygen reconstruction. The observed surface quality depends on both, the temperature T and the oxygen pressure pOx during growth. The best result is achieved with T = 550°C and pOx = 1 × 10^−8 mbar and thus serves as the starting point for the following preparations of CoO2, FeO2 and MnO2 chains. In each case one third of the monolayer (ML) of the transition-metal is evaporated onto the substrate and the sample is heated once more under an oxygen atmosphere. After this procedure not only the (3 × 1) structure of the known chain system is confirmed, but also the group of TMO chains could be extended by the CrO2 chains. In the literature, predictions have been published regarding the magnetic structure of the TMO chains. According to these, the coupling is ferromagnetic (FM) along and between CoO2 chains and antiferromagnetic (AFM) for FeO2 and MnO2 chains. While SP—STM results do not suggest a magnetic structure for CoO2 and CrO2, the measurements reveal magnetic structures for FeO2 and MnO2 chains. Comparing the calculations with the experimentally observed magnetic order, the AFM coupling along both TMO—chains can be confirmed. Contradictory to the theoretical predictions, the interchain coupling differs. For FeO2 chains we find stable FM coupling which lead to a magnetic (3 × 2) unit cell with an easy magnetization direction parallel to the surface normal (out-of-plane). The MnO2 also deviate from the calculated collinear order between adjacent chains and show a chiral system. The in-plane rotation of the Mn spins by 120° form a magnetic (9 × 2) unit cell whose period is confirmed by new DFT calculations. According to these calculations, the spin spiral is stabilized by the Dzyaloshinskii—Moriya interaction (DMI) with an energy gain of 0,3 meV per Mn atom with respect to the collinear FM state. Similar to already published systems consisting of magnetic clusters and adatoms on a Pt(111) surface, the DMI is mediated by the Rudermann—Kittel—Kasuya—Yoshida (RKKY) interaction and explains the experimentally found uniform direction of rotation of the spirals. The RKKY interaction depends on the Fermi surface of the substrate. Based on this fact, the growth of TMO chains is investigated in the following chapter, where only the existence of CoO2 chains is known from literature at the time of this work. Similar to Ir(001), Pt(001) also has a reconstructed surface that is now stable to oxidation. As a consequence, the transition-metal is evaporated directly on the reconstructed surface. Both the growth of the transition metal on the Pt(001) and the topography after the following growth procedure of TMO chains depend on the substrate temperature during evaporation. This procedure follows the TMO growth on Ir(001) by heating the sample in oxygen atmosphere and only results in a stripe pattern with a period of 3aPt for the evaporation on cold Pt(001). In this way not only the (3 × 1) structure of the CoO2 can be confirmed, but also the group of TMO chains is extended by MnO2 chains through atomic resolution scans. In contrast, the non-magnetic measurements in the case of Fe are not obvious. Although there are chains with the expected period of 3aPt, the (3 × 1) structure is not fully resolved along the chains due to a corrugation with a period of 2aPt along the chains, which could be an indication of a Peierls instability. Following the procedure for Ir(001) SP-STM investigations are performed to verify the prediction of an AFM coupling for CoO2 chains. Indeed, no magnetic structures of CoO2 chains are observed for both directions of tip polarization identical to the same chains on Ir(001). In addition, the MnO2 chains with their chiral magnetic structure on Pt(001) behave similarly to those on Ir(001). This confirms the assumption of an indirect DM interacation, where the 72° rotation of the Mn spins indicates a longer period of the cycloidal spin spiral. The explanation for this can be found in the dependence of the RKKY interaction on the Fermi wave vector of the substrate, while the DM interaction changes only slightly due to the transition from Ir to Pt.

This thesis describes the growth and characterization of epitaxial MnSi thin films on Si substrates. The interest in this material system stems from the rich magnetic phase diagram resulting from the noncentrosymmetric B20 crystal structure. Here neighboring spins prefer a tilted relative arrangement in contrast to ferro- and antiferromagnets, which leads to a helical ground state where crystal and spin helix chirality are linked [IEM+85]. This link makes the characterization and control of the crystal chirality the main goal of this thesis. After a brief description of the material properties and applied methods, the thesis itself is divided into four main parts. In the first part the advancement of the MBE growth process of MnSi on Si\((111)\) substrate as well as the fundamental structural characterization are described. Here the improvement of the substrate interface by an adjusted substrate preparation process is demonstrated, which is the basis for well ordered flat MnSi layers. On this foundation the influence of Mn/Si flux ratio and substrate temperature on the MnSi layer growth is investigated via XRD and clear boundaries to identify the optimal growth conditions are determined. The nonstoichiometric phases outside of this optimal growth window are identified as HMS and Mn\(_5\)Si\(_3\). Additionally, a regime at high substrate temperatures and low Mn flux is discovered, where MnSi islands are growing incorporated in a Si layer, which could be interesting for further investigations as a size confinement can change the magnetic phase diagram [DBS+18]. XRD measurements demonstrate the homogeneity of the grown MnSi layers over most of the 3 inch wafer diameter and a small \(\omega\)-FWHM of about 0.02° demonstrates the high quality of the layers. XRD and TEM measurements also show that relaxation of the layers happens via misfit dislocations at the interface to the substrate. The second part of the thesis is concerned with the crystal chirality. Here azimuthal \(\phi\)-scans of asymmetric XRD reflections reveal twin domains with a \(\pm\)30° rotation to the substrate. These twin domains seem to consist of left and right-handed MnSi, which are connected by a mirror operation at the \((\bar{1}10)\) plane. For some of the asymmetric XRD reflections this results in different intensities for the different twin domains, which reveals that one of the domains is rotated +30° and the other is rotated -30°. From XRD and TEM measurements an equal volume fraction of both domains is deduced. Different mechanisms to suppress these twin domains are investigated and successfully achieved with the growth on chiral Si surfaces, namely Si\((321)\) and Si\((531)\). Azimuthal \(\phi\)-scans of asymmetric XRD reflections demonstrate a suppression of up to 92%. The successful twin suppression is an important step in the use of MnSi for the proposed spintronics applications with skyrmions as information carriers, as discussed in the introduction. Because of this achievement, the third part of the thesis on the magnetic properties of the MnSi thin films is not only concerned with the principal behavior, but also with the difference between twinned and twin suppressed layers. Magnetometry measurements are used to demonstrate, that the MnSi layers behave principally as expected from the literature. The analysis of saturation and residual magnetization hints to the twin suppression on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates and further investigations with more samples can complete this picture. For comparable layers on Si\((111)\), Si\((321)\) and Si\((531)\) the Curie-Weiss temperature is identical within 1 K and the critical field within 0.1 T. Temperature dependent magnetoresistivity measurements also demonstrate the expected \(T^2\) behavior not only on Si\((111)\) but also on Si\((321)\) substrates. This demonstrates the successful growth of MnSi on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates. The latter measurements also reveal a residual resistivity of less then half for MnSi on Si\((321)\) in comparison to Si\((111)\). This can be explained with the reduced number of domain boundaries demonstrating the successful suppression of one of the twin domains. The homogeneity of the residual resistivity as well as the charge carrier density over a wide area of the Si\((111)\) wafer is also demonstrated with these measurements as well as Hall effect measurements. The fourth part shows the AMR and PHE of MnSi depending on the angle between in plane current and magnetic field direction with respect to the crystal direction. This was proposed as a tool to identify skyrmions [YKT+15]. The influence of the higher C\(_{3\mathrm{v}}\) symmetry of the twinned system instead of the C\(_3\) symmetry of a B20 single crystal is demonstrated. The difference could serve as a useful additional tool to prove the twin suppression on the chiral substrates. But this is only possible for rotations with specific symmetry surfaces and not for the studied unsymmetrical Si\((321)\) surface. Measurements for MnSi layers on Si\((111)\) above the critical magnetic field demonstrate the attenuation of AMR and PHE parameters for increasing resistivity, as expected from literature [WC67]. Even if a direct comparison to the parameters on Si\((321)\) is not possible, the higher values of the parameters on Si\((321)\) can be explained considering the reduced charge carrier scattering from domain boundaries. Below the critical magnetic field, which would be the region where a skyrmion lattice could be expected, magnetic hysteresis complicates the analysis. Only one phase transition at the critical magnetic field can be clearly observed, which leaves the existence of a skyrmion lattice in thin epitaxial MnSi layers open. The best method to solve this question seems to be a more direct approach in the form of Lorentz-TEM, which was also successfully used to visualize the skyrmion lattice for thin plates of bulk MnSi [TYY+12]. For the detection of in plane skyrmions, lamellas would have to be prepared for a side view, which seems in principle possible. The demonstrated successful twin suppression for MnSi on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates may also be applied to other material systems. Suppressing the twinning in FeGe on Si\((111)\) would lead to a single chirality skyrmion lattice near room temperature [HC12]. This could bring the application of skyrmions as information carriers in spintronics within reach. Glossary: MBE Molecular Beam Epitaxy XRD X-Ray Diffraction HMS Higher Manganese Silicide FWHM Full Width Half Maximum TEM Tunneling Electron Microscopy AMR Anisotropic MagnetoResistance PHE Planar Hall Effect Bibliography: [IEM+85] M. Ishida, Y. Endoh, S. Mitsuda, Y. Ishikawa, and M. Tanaka. Crystal Chirality and Helicity of the Helical Spin Density Wave in MnSi. II. Polarized Neutron Diffraction. Journal of the Physical Society of Japan, 54(8):2975, 1985. [DBS+18] B. Das, B. Balasubramanian, R. Skomski, P. Mukherjee, S. R. Valloppilly, G. C. Hadjipanayis, and D. J. Sellmyer. Effect of size confinement on skyrmionic properties of MnSi nanomagnets. Nanoscale, 10(20):9504, 2018. [YKT+15] T. Yokouchi, N. Kanazawa, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, A. Kikkawa, Y. Taguchi, M. Kawasaki, M. Ichikawa, F. Kagawa, and Y. Tokura. Formation of In-plane Skyrmions in Epitaxial MnSi Thin Films as Revealed by Planar Hall Effect. Journal of the Physical Society of Japan, 84(10):104708, 2015. [WC67] R. H. Walden and R. F. Cotellessa. Magnetoresistance of Nickel-Copper Single-Crystal Thin Films. Journal of Applied Physics, 38(3):1335, 1967. [TYY+12] A. Tonomura, X. Yu, K. Yanagisawa, T. Matsuda, Y. Onose, N. Kanazawa, H. S. Park, and Y. Tokura. Real-Space Observation of Skyrmion Lattice in Helimagnet MnSi Thin Samples. Nano Letters, 12(3):1673, 2012. [HC12] S. X. Huang and C. L. Chien. Extended Skyrmion Phase in Epitaxial FeGe(111) Thin Films. Physical Review Letters, 108(26):267201, 2012. / Diese Arbeit befasst sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung dünner epitaktischer MnSi Schichten auf Si Substraten. Das Interesse an diesem Materialsystem liegt insbesondere im reichhaltigen magnetischen Phasendiagramm begründet, welches aus der nicht zentrosymmetrischen B20 Kristallstruktur des MnSi resultiert. Im Gegensatz zu Ferro- oder Antiferromagneten bevorzugen benachbarte Spins sich unter einem Winkel zueinander auszurichten, was zu einem helikalen Grundzustand führt in dem die Händigkeit von Kristallstruktur und Spin-Helix aneinander gekoppelt sind [IEM+85]. Diese Kopplung macht die Charakterisierung und Kontrolle der Händigkeit der Kristallstruktur zum Hauptziel dieser Arbeit. Nach einer kurzen Beschreibung der Materialeigenschaften und der angewendeten Methoden ist die Arbeit selbst in vier Hauptteile aufgeteilt. Im ersten Teil ist sowohl die Verbesserung des Molekularstrahlepitaxie-Wachstumsprozesses von MnSi auf Si\((111)\) Substrat, als auch die grundlegende strukturelle Charakterisierung beschrieben. Hierbei ist die Verbesserung der Substratgrenzfläche mit Hilfe eines angepassten Vorbereitungsprozesses erläutert, welche die Basis für glatte, geordnete dünne MnSi Schichten bildet. Auf dieser Basis ist der Einfluss des Mn/Si Fluss-Verhältnisses sowie der Substrattemperatur mittels Röntgenbeugung dargestellt und ein optimales Wachstumsfenster identifiziert. Die nicht stöchiometrischen Phasen außerhalb dieses Wachstumsfensters sind MnSi\(_{1.75-x}\) (HMS) sowie Mn\(_5\)Si\(_3\). Zusätzlich tritt bei hohen Substrattemperaturen und niedrigem Mn Fluss eine Phase auf, in der MnSi Inseln, eingebettet in eine Si Schicht, wachsen. Diese könnten von weiterführendem Interesse sein, da die Größenbeschränkung das magnetische Phasendiagramm beeinflussen kann [DBS+18]. Röntgenbeugungsmessungen zeigen die Homogenität der gewachsenen MnSi Schichten über einen Großteil des 3\ Zoll Wafer Durchmessers sowie die hohe Qualität mittels einer kleinen \(\omega\)-Halbwertsbreite von ungefähr 0.02°. Röntgenbeugungs- und Transmissionselektronenmikroskopiemessungen zeigen außerdem, dass die MnSi Dünnschichten mittels Fehlversetzungen an der Grenzfläche zwischen Dünnschicht und Substrat relaxieren. Der zweite Teil befasst sich mit der Händigkeit der Kristallstruktur. Azimutale \(\phi\)-Messungen asymmetrischer Röntgenbeugungsreflexe zeigen Kristallzwillingsdomänen welche \(\pm\)30° zum Substrat rotiert sind. Die Kristallzwillingsdomänen lassen sich vermutlich als rechts- und links-händiges MnSi identifizieren, welche durch eine Spiegelung an der \((\bar{1}10)\) Ebene verbunden sind. Anhand der unterschiedlichen Intensität mancher Reflexe für unterschiedliche Händigkeit wird außerdem gezeigt, dass eine der Domänen um +30° und die andere Domäne um -30° rotiert ist. Mithilfe der Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie wird außerdem der gleiche Volumenanteil der Kristallzwillinge demonstriert. Verschieden Mechanismen zur Unterdrückung dieser Kristallzwillingsdomänen werden untersucht und die erfolgreiche Unterdrückung gelang mit Hilfe des Wachstums auf chiralen Si Substraten, nämlich Si\((321)\) und Si\((531)\) Substraten. Hier ist mit azimutalen \(\phi\)-Messungen der asymmetrischen Röntgenbeugungsreflexen eine Unterdrückung von bis zu 92% demonstriert. Die erfolgreiche Unterdrückung der Kristallzwillingsdomänen ist ein wichtiger Schritt zur vorgeschlagenen Nutzung von MnSi in Spintronik-Anwendungen, wie in der Einleitung erläutert. Aufgrund dessen befasst sich der dritte Teil nicht nur mit den magnetischen Eigenschaften der dünnen MnSi Schichten, sondern auch damit, wie die Unterschiede für Schichten mit Kristallzwillingsdomänen und mit deren Unterdrückung sind. Im ersten Abschnitt ist anhand von Magnetometriemessungen gezeigt, dass sich die MnSi Dünnschichten prinzipiell so verhalten, wie es aus der Literatur zu erwarten ist. Das Verhalten von Sättigungs- und Restmagnetisierung deutet auf die Unterdrückung der Kristallzwillingsdomänen auf Si\((321)\) und Si\((531)\) Substraten hin, wobei das Gesamtbild mittels einer erweiterten Probenserie vervollständigt werden kann. Für vergleichbare MnSi Dünnschichten auf Si\((111)\), Si\((321)\) und Si\((531)\) ist die Curie-Weiss Temperatur innerhalb von 1 K und das kritische Magnetfeld innerhalb von 0.1 T identisch. Die Temperaturabhängigkeit des Magnetowiderstands zeigt das zu erwartende \(T^2\) Verhalten nicht nur auf Si\((111)\), sondern auch auf Si\((321)\). Dies zeigt das erfolgreiche Wachstum von MnSi auf Si\((321)\) und Si\((531)\). Die letzteren Messungen ergeben außerdem einen Restwiderstand von weniger als der Hälfte für MnSi auf Si\((321)\) im Vergleich zu Si\((111)\). Dies kann durch die geringere Anzahl an Domänengrenzen erklärt werden und zeigt die erfolgreiche Unterdrückung einer Kristallzwillingsdomäne. Mit Hilfe der Restwiderstände und Hall-Messungen ist die Homogenität des Restwiderstandes und der Ladungsträgerdichte über einen großen Bereich des Wafers gezeigt. Im vierten Teil werden der Anisotrope Magnetwiderstand und der Planare Hall Effekt für MnSi abhängig von den Winkeln von Stromrichtung und Magnetfeld im Bezug auf die Kristallrichtung untersucht. Dies wurde als Werkzeug zur Identifikation der Skyrmionenphase vorgeschlagen [YKT+15]. Der Einfluss der höheren C\(_{3\mathrm{v}}\) Symmetrie des Kristallzwillingssystems und nicht der C\(_3\) Symmetrie des B20 Einzelkristalls ist gezeigt Der Unterschied könnte ein nützliches zusätzliches Werkzeug für die Demonstration der Kristallzwillingsunterdrückung sein. Dies ist allerdings nur für die Rotation mit spezifischen symmetrischen Oberflächen möglich und nicht für die untersuchte unsymmetrische Si\((321)\) Oberfläche. Messungen von MnSi Dünnschichten auf Si\((111)\) oberhalb des kritischen Magnetfeldes zeigen die Abnahme der Anisotropie-Parameter für den Anisotropen Magnetwiderstand und den Planaren Hall-Effekt für steigenden Widerstand, wie aus der Literatur zu erwarten [WC67]. Auch wenn ein direkter Vergleich zu den Parametern für Dünnschichten auf Si\((321)\) nicht möglich ist, können die größeren Parameterwerte bei Si\((321)\) mit der reduzierten Streuung an Domänengrenzen erklärt werden. Die Analyse unterhalb des kritischen Magnetfeldes, der Bereich in dem eine mögliche Skyrmionenphase zu erwarten wäre, wird durch magnetische Hysterese verkompliziert. Nur ein Phasenübergang beim kritischen Magnetfeld kann deutlich gezeigt werden. Damit bleibt die Frage zur Existenz der Skyrmionen in den MnSi Dünnschichten weiter offen. Die beste Möglichkeit diese Frage zu klären wäre ein direkterer Ansatz in Form von Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie, welche schon erfolgreich genutzt wurde um das Skyrmionengitter in dünnen Platten aus Volumenkristall MnSi zu visualisieren [TYY+12]. Für die Detektion von Skyrmionen in der Schichtebene müssten Lamellen für eine Seitenansicht präpariert werden, was prinzipiell möglich erscheint. Die gezeigte erfolgreiche Unterdrückung von einem der Kristallzwillinge für MnSi Schichten auf Si\((321)\) und Si\((531)\) sollte außerdem auf andere Materialsysteme übertragbar sein. Die Kristallzwillingsbildung in FeGe auf Si\((111)\) zu unterdrücken würde zu einem Skyrmionengitter mit einer einzigen Händigkeit bei annähernd Raumtemperatur führen [HC12]. Dies könnte Skyrmionen als Informationsträger in der Spintronik in greifbare Nähe bringen. Bibliographie: [IEM+85] M. Ishida, Y. Endoh, S. Mitsuda, Y. Ishikawa, and M. Tanaka. Crystal Chirality and Helicity of the Helical Spin Density Wave in MnSi. II. Polarized Neutron Diffraction. Journal of the Physical Society of Japan, 54(8):2975, 1985. [DBS+18] B. Das, B. Balasubramanian, R. Skomski, P. Mukherjee, S. R. Valloppilly, G. C. Hadjipanayis, and D. J. Sellmyer. Effect of size confinement on skyrmionic properties of MnSi nanomagnets. Nanoscale, 10(20):9504, 2018. [YKT+15] T. Yokouchi, N. Kanazawa, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, A. Kikkawa, Y. Taguchi, M. Kawasaki, M. Ichikawa, F. Kagawa, and Y. Tokura. Formation of In-plane Skyrmions in Epitaxial MnSi Thin Films as Revealed by Planar Hall Effect. Journal of the Physical Society of Japan, 84(10):104708, 2015. [WC67] R. H. Walden and R. F. Cotellessa. Magnetoresistance of Nickel-Copper Single-Crystal Thin Films. Journal of Applied Physics, 38(3):1335, 1967. [TYY+12] A. Tonomura, X. Yu, K. Yanagisawa, T. Matsuda, Y. Onose, N. Kanazawa, H. S. Park, and Y. Tokura. Real-Space Observation of Skyrmion Lattice in Helimagnet MnSi Thin Samples. Nano Letters, 12(3):1673, 2012. [HC12] S. X. Huang and C. L. Chien. Extended Skyrmion Phase in Epitaxial FeGe(111) Thin Films. Physical Review Letters, 108(26):267201, 2012.

Magnetic shape memory (MSM) materials are a new class of smart materials which exhibit shape deformation under the influence of an external magnetic field. They are interesting for various types of applications, including actuators, displacement/force sensors, and motion dampers. Due to the huge strain and the magnetic field-driven nature, MSM materials show definite advantages over other smart materials, e.g. conventional thermal shape memory materials, in terms of displacement and speed. The principle behind the magnetic field induced strain (MFIS) is the strong coupling between magnetization and lattice structure. The investigation of both static and dynamic magnetic domain structures in MSM materials is a key step in optimizing the properties for future possible devices. In this work, optical polarization microscopy is applied to investigate the twin boundary and magnetic domain wall motion in bulk NiMnGa single crystals. Surface magnetic domain patterns on adjacent sides of bulk crystals are revealed for the first time providing comprehensive information about the domain arrangement inside the bulk and at the twin boundary. The tilting of the easy axis with respect to the sample surface determines the preferable domain size and leads to spike domain formation on the surface. Out-of-plane surface domains extend into the bulk within a single variant, while a twin boundary mirrors the domain pattern from adjacent variants. Furthermore, magnetic domain evolution during twin boundary motion is observed. The partial absence of domain wall motion throughout the process contradicts currently proposed models. The magnetic state alternates along a moving twin boundary. With the abrupt nucleation of the second variant this leads to the formation of sections of magnetically highly charged head-on domain structures at the twin boundaries. On the other hand, a dynamic actuation experimental setup, which is capable to provide high magnetic fields in a wide range of frequency, was developed in the course of this study. The observation of reversible twin boundary motion up to 600 Hz exhibits the dependence of strain, hysteresis, and twin boundary velocity on the actuation speed. MFIS increases with frequency, while the onset field is similar in all observed cases. Twin boundary mobility enhancement by fast twin boundary motion is proposed to explain the increase in MFIS. The twin boundary velocity is shown to be inversely proportional to the twin boundary density. No limit of twin boundary velocity is observed in the investigated frequency range.