In ungeordneten Fe70Pd30-Strukturen ermöglicht eine martensitische Umwandlung den magnetischen Formgedächtniseffekt, der in Aktoren genutzt werden kann. Der inverse Effekt kann für hochempfindliche Dehnungsmessungen verwendet werden. Eine Miniaturisierung zu Schichten ermöglicht Anwendungen in mikro- und nanoelektromechanischen Systemen. Ziel dieser Arbeit ist es, die magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Struktur zu bestimmen und die gewünschte Kombination aus beiden auf dickere Schichten zu übertragen. In Kapitel 2 werden die strukturellen Aspekte im Fe-Pd-System und die Besonderheiten des Wachstums dünner Schichten betrachtet. In Kapitel 3 werden die Schichtherstellung mittels Kathodenzerstäubung und die verschiedenen Charakterisierungsmethoden kurz vorgestellt. Kapitel 4 zeigt den Einfluss durch verschiedene Zwischenschichten mit unterschiedlichen Gitterparametern auf die Kristall- und Elektronenstruktur sowie auf die magnetischen Eigenschaften von dünnen, epitaktischen Fe-Pd-Cu-Schichten. Untersuchungen zur kritischen Schichtdicke und Relaxationsmechanismen stehen in Kapitel 5 im Vordergrund. In Kapitel 6 wird die kombinatorische Schichtherstellung vorgestellt, die eine systematische Variation von Struktur und Zusammensetzung für eine praxisnahe Anwendung erlaubt. Außerdem werden Ergebnisse zu freien Schichten gezeigt und der Einfluss des Ablösens auf Morphologie und Struktur diskutiert.

In ungeordneten Fe70Pd30-Strukturen ermöglicht eine martensitische Umwandlung den magnetischen Formgedächtniseffekt, der in Aktoren genutzt werden kann. Der inverse Effekt kann für hochempfindliche Dehnungsmessungen verwendet werden. Eine Miniaturisierung zu Schichten ermöglicht Anwendungen in mikro- und nanoelektromechanischen Systemen. Ziel dieser Arbeit ist es, die magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Struktur zu bestimmen und die gewünschte Kombination aus beiden auf dickere Schichten zu übertragen. In Kapitel 2 werden die strukturellen Aspekte im Fe-Pd-System und die Besonderheiten des Wachstums dünner Schichten betrachtet. In Kapitel 3 werden die Schichtherstellung mittels Kathodenzerstäubung und die verschiedenen Charakterisierungsmethoden kurz vorgestellt. Kapitel 4 zeigt den Einfluss durch verschiedene Zwischenschichten mit unterschiedlichen Gitterparametern auf die Kristall- und Elektronenstruktur sowie auf die magnetischen Eigenschaften von dünnen, epitaktischen Fe-Pd-Cu-Schichten. Untersuchungen zur kritischen Schichtdicke und Relaxationsmechanismen stehen in Kapitel 5 im Vordergrund. In Kapitel 6 wird die kombinatorische Schichtherstellung vorgestellt, die eine systematische Variation von Struktur und Zusammensetzung für eine praxisnahe Anwendung erlaubt. Außerdem werden Ergebnisse zu freien Schichten gezeigt und der Einfluss des Ablösens auf Morphologie und Struktur diskutiert.

Chemically ordered FePt is one of the most promising materials to reach the ultimate limitations in storage density of future magnetic recording devices due to its high uniaxial magnetocrystalline anisotropy and a corrosion resistance superior to rare-earth based magnets. In this study, FePt and FePt/Cu bilayers have been sputter deposited at room temperature onto thermally oxidized silicon wafers, glass substrates and self-assembled arrays of spherical SiO2 particles with diameters down to 10 nm. Millisecond flash lamp annealing, as well as conventional rapid thermal annealing was employed to induce the phase transformation from the chemically disordered A1 phase into the chemically ordered L10 phase. The influence of the annealing temperature, annealing time and the film thickness on the ordering transformation and (001) texture evolution of FePt films with near equiatomic composition was studied. Whereas flash lamp annealed FePt films exhibit a polycrystalline morphology with high chemical L10 order, rapid thermal annealing can lead to the formation of chemically ordered FePt fifilms with (001) texture on amorphous SiO2/Si substrates. The resultant high perpendicular magnetic anisotropy and large coercivities up to 40 kOe are demonstrated. Simultaneuosly to the ordering transformation, rapid thermal annealing to temperatures exceeding 600 °C leads to a break up of the continuous FePt film into separated islands. This dewetting behavior was utilized to create regular arrays of FePt nanostructures on SiO2 particle templates with periods down to 50 nm. The addition of Cu improves the (001) texture formation and chemcial ordering for annealing temperatures T < 600 °C. In addition, the magnetic anisotropy and the coercivity of the ternary FePtCu alloy can be effectively tailored by adjusting the Cu content. The prospects of FePtCu based exchange spring media, as well as the magnetic properties of FePtCu nanostructures fabricated using e-beam and nanoimprint lithography have been investigated.

Der Einsatz nanostrukturierter Magnetmaterialien als Speicherschichten in Festplatten stellt ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Speicherdichten im Vergleich zu den heute eingesetzten granularen Medien dar. Für die Realisierung dieses Konzeptes ist eine detaillierte Kenntnis der Struktureigenschaften und deren Einfluss auf das magnetische Verhalten der einzusetzenden Schichten erforderlich. Für die vorliegende Arbeit wurden drei verschiedene magnetische Materialien ausgewählt und insbesondere mit elektronenmikroskopischen Methoden in struktureller Hinsicht untersucht. Dazu zählen ferromagnetische (FePt)(100-x)Cu(x) -Schichten, ferromagnetische [Co/Pt]n -Multilagen sowie ferrimagnetische Fe(100-x)Tb(x) -Schichten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Korrelation zwischen strukturellen und magnetischen Eigenschaften sowie im Einfluss der Nanostrukturierung auf das magnetische Verhalten der Schichten. In dieser Hinsicht wurden Aspekte der durch die Struktur bedingten magnetischen Anisotropie in Form von magnetokristalliner und Grenzflächenanisotropie betrachtet. Zudem wurde das Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Strukturelementen in nanostrukturierten Schichten untersucht. Aufbauend auf die Untersuchung der drei genannten Materialien wurden [Co/Pt]n und Fe(100-x)Tb(x) ausgewählt zum Aufbau eines Systems mit zwei magnetischen Komponenten: Fe(80)Tb(20) / [Co/Pt]10. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf die Morphologie der Grenzfläche zwischen den beiden Bestandteilen und deren Einfluss auf den Exchange Bias, der in diesem System vorliegt.

Chemically ordered FePt is one of the most promising materials to reach the ultimate limitations in storage density of future magnetic recording devices due to its high uniaxial magnetocrystalline anisotropy and a corrosion resistance superior to rare-earth based magnets. In this study, FePt and FePt/Cu bilayers have been sputter deposited at room temperature onto thermally oxidized silicon wafers, glass substrates and self-assembled arrays of spherical SiO2 particles with diameters down to 10 nm. Millisecond flash lamp annealing, as well as conventional rapid thermal annealing was employed to induce the phase transformation from the chemically disordered A1 phase into the chemically ordered L10 phase. The influence of the annealing temperature, annealing time and the film thickness on the ordering transformation and (001) texture evolution of FePt films with near equiatomic composition was studied. Whereas flash lamp annealed FePt films exhibit a polycrystalline morphology with high chemical L10 order, rapid thermal annealing can lead to the formation of chemically ordered FePt fifilms with (001) texture on amorphous SiO2/Si substrates. The resultant high perpendicular magnetic anisotropy and large coercivities up to 40 kOe are demonstrated. Simultaneuosly to the ordering transformation, rapid thermal annealing to temperatures exceeding 600 °C leads to a break up of the continuous FePt film into separated islands. This dewetting behavior was utilized to create regular arrays of FePt nanostructures on SiO2 particle templates with periods down to 50 nm. The addition of Cu improves the (001) texture formation and chemcial ordering for annealing temperatures T < 600 °C. In addition, the magnetic anisotropy and the coercivity of the ternary FePtCu alloy can be effectively tailored by adjusting the Cu content. The prospects of FePtCu based exchange spring media, as well as the magnetic properties of FePtCu nanostructures fabricated using e-beam and nanoimprint lithography have been investigated.

Der Einsatz nanostrukturierter Magnetmaterialien als Speicherschichten in Festplatten stellt ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Speicherdichten im Vergleich zu den heute eingesetzten granularen Medien dar. Für die Realisierung dieses Konzeptes ist eine detaillierte Kenntnis der Struktureigenschaften und deren Einfluss auf das magnetische Verhalten der einzusetzenden Schichten erforderlich. Für die vorliegende Arbeit wurden drei verschiedene magnetische Materialien ausgewählt und insbesondere mit elektronenmikroskopischen Methoden in struktureller Hinsicht untersucht. Dazu zählen ferromagnetische (FePt)(100-x)Cu(x) -Schichten, ferromagnetische [Co/Pt]n -Multilagen sowie ferrimagnetische Fe(100-x)Tb(x) -Schichten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Korrelation zwischen strukturellen und magnetischen Eigenschaften sowie im Einfluss der Nanostrukturierung auf das magnetische Verhalten der Schichten. In dieser Hinsicht wurden Aspekte der durch die Struktur bedingten magnetischen Anisotropie in Form von magnetokristalliner und Grenzflächenanisotropie betrachtet. Zudem wurde das Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Strukturelementen in nanostrukturierten Schichten untersucht. Aufbauend auf die Untersuchung der drei genannten Materialien wurden [Co/Pt]n und Fe(100-x)Tb(x) ausgewählt zum Aufbau eines Systems mit zwei magnetischen Komponenten: Fe(80)Tb(20) / [Co/Pt]10. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf die Morphologie der Grenzfläche zwischen den beiden Bestandteilen und deren Einfluss auf den Exchange Bias, der in diesem System vorliegt.

Iron filled carbon nanotubes (FeCNT) can be described as carbon nanotubes which contain an iron nanowire of several micrometers length and a diameter of approximately 10-100 nm. The carbon shells protect the iron core from oxidation and mechanical damage thus enabling a wide range of applications that require a long-term stability. The magnetic properties of the enclosed nanowire are in part determined by its small size and elongated shape. Magnetic force microscopy (MFM) measurements show that the iron wire exhibits a single domain behavior. Due to the large shape anisotropy it is magnetized along the long wire axis in the remanent state. Two magnetic monopoles of opposing polarity are located at the wire extremities. Depending on the structure and geometry of the individual nanowire, switching fields in the range of 100-400 mT can be found when the external field is applied along the FeCNT’s easy axis. Cantilever magnetometry shows that the switching can be attributed to a thermally assisted magnetization reversal mechanism with the nucleation and propagation of a domain wall. The defined magnetic properties of individual FeCNT combined with their mechanical strength make them ideal candidates for an application as high resolution high stability MFM probes. The fabrication of such probes can be achieved with the help of a micromanipulation setup in a scanning electron microscope. FeCNT MFM probes achieve a sub 25 nm lateral magnetic resolution. MFM measurements with FeCNT MFM probes in external fields show that the magnetization of these probes is exceptionally stable compared to conventional coated MFM probes. This greatly simplifies the data evaluation of such applied field MFM measurements. The emphasis of this work was put on the calibration of FeCNT probes to enable straightforward quantitative MFM measurements. The defined shape of the magnetically active iron nanowire allows an application of a point monopole description. Microscale parallel current carrying lines that produce a defined magnetic field are used as calibration structures to determine the effective magnetic moment of different MFM probes. The line geometry is varied in order to produce multiple magnetic field decay lengths and investigate the influence on the effective probe moment. The results show that while the effective magnetic monopole moment of a conventional MFM probe increases with an increasing sample stray field decay length, the effective moment of a FeCNT MFM probe remains constant. This enables a MFM probe calibration that stays valid for a large variety of magnetic samples. Furthermore, the fitted monopole moment of a FeCNT probe (in the order of 10E-9 Am) is consistent with the moment calculated from the nanowire geometry and the saturation magnetization of iron.

Consolidating a microscopic understanding of magnetic properties is crucial for a rational design of magnetic materials with tailored characteristics. The interplay of 3d and 4f magnetism in rare-earth transition metal antimonides is an ideal platform to search for such complex behavior. Here the synthesis, crystal growth, structure, and complex magnetic properties are reported of the new compound Pr3Fe3Sb7 as studied by magnetization and electrical transport measurements in static and pulsed magnetic fields up to 56 T, powder neutron diffraction, and Mößbauer spectroscopy. On cooling without external magnetic field, Pr3Fe3Sb7 shows spontaneous magnetization, indicating a symmetry breaking without a compensating domain structure. The Fe substructure exhibits noncollinear ferromagnetic order below the Curie temperature TC ≈ 380 K. Two spin orientations exist, which approximately align along the Fe–Fe bond directions, one parallel to the ab plane and a second one with the moments canting away from the c axis. The Pr substructure orders below 40 K, leading to a spin-reorientation transition (SRT) of the iron substructure. In low fields, the Fe and Pr magnetic moments order antiparallel to each other, which gives rise to a magnetization antiparallel to the external field. At 1.4 K, the magnetization approaches saturation above 40 T. The compound exhibits metallic resistivity along the c axis, with a small anomaly at the SRT.

In dieser Dissertation wird die gute Einstellbarkeit von synthetischen Antiferromagneten mit dem kollektiven Surface Spin-Flop-Verhalten kombiniert. Es wird der Einfluss der Gesamtschichtdicke untersucht, welche mit dem Abstand der magnetische Oberflächen korreliert. Zudem werden die Dicken der ferromagnetischen Untereinheiten an den Außenseiten verändert, womit die Beiträge der Oberflächen unterdrückt oder verstärkt werden können. Darauffolgend wird die Kontrolle der Oberflächenbeiträge angewendet, um Exchange Bias-Strukturen auf Basis synthetischer Antiferromagnete zu erzeugen. Da diese nicht aus Heterostrukturen intrinsischer Antiferromagnete und Ferromagnete bestehen, wird nicht nur eine gute Abstimmbarkeit erreicht, sondern auch die Materialwahl wird potentiell vereinfacht. Zudem kann der Exchange Bias in synthetischen Antiferromagneten vollständig bei Raumtemperatur beobachtet und gesteuert werden. Im Weiteren wird ein zuvor untersuchtes Konzept zur Stabilisierung der vom Surface Spin-Flop erzeugten vertikalen antiferromagnetischen Domänenwände erweitert. Es wird demonstriert, wie ein Paar koexistierender antiferromagnetischer Domänenwände in Abwesenheit äußerer Magnetfelder und bei tiefen Temperaturen stabil gehalten werden kann. Damit können in Erweiterung der ursprünglichen Konzeptes nun acht anstatt sechs remanenter Zustände durch geeignete Magnetfeldroutinen eingestellt werden.:1. Introduction 2. Theoretical background 2.1. Micromagnetic energy terms 2.1.1. Zeeman energy 2.1.2. Demagnetization energy 2.1.3. Anisotropy energy 2.1.4. Exchange energy 2.2. Magnetic multilayers 2.2.1. Magnetic anisotropy in magnetic multilayers 2.2.2. Synthetic antiferromagnets 2.3. Exchange Bias 2.4. The bulk and surface spin-flop 3. Methods 3.1. Sputter deposition 3.2. X-ray diffraction and reflectometry 3.3. Magnetometry 3.4. Magnetic force microscopy 3.5. Micromagnetic simulations 4. Results 4.1. From collective reversal to exchange bias 4.1.1. Total thickness dependency of the surface spin flop 4.1.2. Influence of the surface block thickness 4.1.3. Exchange bias in synthetic antiferromagnets 4.2. Tailoring the surface spin flop 4.2.1. Coexistence of two vertical domain walls 4.2.2. Alternative anisotropy profile 5. Conclusions and Outlook A. Supplemental material A.1. Supplemental material for Section 2.4 A.2. Supplemental material for Section 4.1.1 A.3. Supplemental material for Section 4.1.2 A.4. Supplemental material for Section 4.1.3 A.5. Supplemental material for Section 4.2.1 A.6. Supplemental material for Section 4.2.2 A.7. Supplemental material for the outlook in Chapter 5 A.7.1. Synthetic ferrimagnets ans ferromagnetic resonance A.7.2. Synthetic antiferromagnets based on Co/Ni A.7.3. Initial magneto-resistance measurements A.8. Micromagnetic simulations MuMax3 code B. Bibliography C. List of Samples D. Selbstständigkeitserklärung E. Danksagung F. Lebenslauf G. Publikationsliste / In this thesis, the high degree of tunability in the SAFs is combined with the collective surface spin-flop reversal. The influence of the total thickness and thus the distance of the magnetic surfaces is explored. Furthermore, the thickness of the ferromagnetic surface subunits is altered to selectively suppress or enhance the surface contribution. The control of the surface contribution is subsequently employed to create magnetic exchange bias structures based on the synthetic antiferromagnets. If compared to conventional exchange bias systems in heterostructures of intrinsic antiferromagnetic and ferromagnetic materials, an exchange bias with full room temperature operation, high tunability and a potential potential much more flexible choice of materials becomes available. Additionally, a previously established concept to stabilize the vertical antiferromagnetic domain walls that originate from the surface spin-flop at remanence is extended to a coexisting pair of antiferromagnetic domain walls. At low temperatures, the coexisting vertical antiferromagnetic domain walls can be stabilized at remanence, too. Furthermore, the total number of different remanent states, which are accessible through different field routines, can be increased from six in the original concept to eight in the more sophisticated concept presented here.:1. Introduction 2. Theoretical background 2.1. Micromagnetic energy terms 2.1.1. Zeeman energy 2.1.2. Demagnetization energy 2.1.3. Anisotropy energy 2.1.4. Exchange energy 2.2. Magnetic multilayers 2.2.1. Magnetic anisotropy in magnetic multilayers 2.2.2. Synthetic antiferromagnets 2.3. Exchange Bias 2.4. The bulk and surface spin-flop 3. Methods 3.1. Sputter deposition 3.2. X-ray diffraction and reflectometry 3.3. Magnetometry 3.4. Magnetic force microscopy 3.5. Micromagnetic simulations 4. Results 4.1. From collective reversal to exchange bias 4.1.1. Total thickness dependency of the surface spin flop 4.1.2. Influence of the surface block thickness 4.1.3. Exchange bias in synthetic antiferromagnets 4.2. Tailoring the surface spin flop 4.2.1. Coexistence of two vertical domain walls 4.2.2. Alternative anisotropy profile 5. Conclusions and Outlook A. Supplemental material A.1. Supplemental material for Section 2.4 A.2. Supplemental material for Section 4.1.1 A.3. Supplemental material for Section 4.1.2 A.4. Supplemental material for Section 4.1.3 A.5. Supplemental material for Section 4.2.1 A.6. Supplemental material for Section 4.2.2 A.7. Supplemental material for the outlook in Chapter 5 A.7.1. Synthetic ferrimagnets ans ferromagnetic resonance A.7.2. Synthetic antiferromagnets based on Co/Ni A.7.3. Initial magneto-resistance measurements A.8. Micromagnetic simulations MuMax3 code B. Bibliography C. List of Samples D. Selbstständigkeitserklärung E. Danksagung F. Lebenslauf G. Publikationsliste

In this work, low dimensional iron group clusters have been studied by application of high magnetic fields. The magnetization has been probed with an MPMS as function of temperature and field. The combination with pulse field measurements up to 52\,T allowed determination of the magnetic exchange coupling parameters, and to probing the effective spin of the ground state. The main focus was on tunable high-field/high-frequency (tHF) ESR in static fields &amp;lt; 17 T and pulse field ESR up to 36 T. This magnetic resonance method has been used for the characterization of the local magnetic properties: The detailed analysis of the field dependence of dedicated spin states allowed to determine the magnetic anisotropy and g-factors. The results were analyzed in the framework of the appropriate effective spin Hamiltonians in terms of magnetization fits and ESR spectrum simulations.