Im Fokus der vorliegenden Arbeit liegt das Widerstandsschalten von HfO2- und TiO2-Dünnschichten, wobei insbesondere auf den Einfluss der Kristallstruktur, der Stöchiometrie und der Elektrodenmaterialien ((inert, Pt) und (reaktiv, Ti/Pt)) eingegangen wurde. Die HfO2-Dünnschichten wurden mittels Atomlagenabscheidung (ALD) durch die Reaktion von Tetrakis(dimethylamido)hafnium mit Wasser bei Temperaturen von 100°C bis 350°C abgeschieden. Das beste ALD-Wachstum mit der geringsten Konzentration an Wasserstoff wurde für eine Temperatur von 300°C erhalten. Sowohl eine geringere als auch eine höhere Abscheidetemperatur führte durch parasitäre CVD-artige Prozesse bzw. durch die ungewollte thermische Zersetzung des Präkursors zu einer größeren Wasserstoffkonzentration. Des Weiteren wurde eine Korrelation zwischen der Wachstumsrate pro Zyklus, der Schichtdickenhomogenität und der Wasserstoffkonzentration in den HfO2-Schichten festgestellt. Das Widerstandsschalten wurde an amorphen (150°C) und polykristallinen (300°C) HfO2-Schichten mit unstrukturierten Rückelektroden und kreisförmigen Vorderseitenelektroden untersucht. Die Verwendung von symmetrischen Pt-Pt-Elektroden führte bei beiden Schichttypen zum unipolaren Schaltmodus. Der unipolare Schaltmodus wurde ebenfalls bei Verwendung von asymmetrischen Pt-Ti/Pt-Elektroden im Zusammenspiel mit der amorphen HfO2-Phase beobachtet. Eine Ausnahme stellt die Kombination von asymmetrischen Elektroden mit der polykristallinen HfO2-Phase dar. Dabei wurde nach der Elektroformierung mit positiv angelegter Spannung an die Vorderseitenelektrode der bipolare Schaltmodus erhalten. Eine Erklärung dafür liefert die Betrachtung der Filament-Wachstumsrichtung während der Elektroformierung. Die TiO2-Dünnschichten wurden durch reaktives Magnetronsputtern gewachsen. Die Stöchiometrie dieser Schichten wurde durch die Bestrahlung mit Ar-Ionen gezielt verändert. Dabei führt das bevorzugte Herausschlagen von Sauerstoff im Vergleich zum Titan zu einer an Sauerstoff verarmten TiOx-Schicht, welche sich durch die verwendete Ionenenergie von 2keV in oberflächennahen Bereichen befindet. Die Ausdehnung der TiOx-Schicht wurde mit einer TRIDYN-Simulation auf ca. 4nm bestimmt. Während sich zwischen einer TiO2-Schicht und einer Pt-Elektrode ein Schottky-Kontakt ausbildet, führt das Einbringen einer TiOx-Schicht zu einem ohmschen Kontakt. Für die Charakterisierung des Widerstandsschaltens an den mit Ar-Ionen bestrahlten TiO2-Schichten wurde somit auf symmetrische Pt-Pt-Elektroden zurückgegriffen. Im Bereich der getesteten Fluenzen von 1 x 10^13 Ar+/cm2 bis 1 x 10^16 Ar+/cm2 wurde mit einer Fluenz von 1 x 10^14 Ar+/cm2 sowohl die beste Ausbeute als auch die größten Endurance-Werte erzielt. / The work focuses on the resistive switching of HfO2 and TiO2 thin films. Especially the influence of crystal structure, stoichiometry and electrode materials ((inert, Pt) and (reactive, Ti/Pt)) have been examined. HfO2 thin films have been grown at temperatures ranging from 100°C to 350°C through the process of atomic layer deposition (ALD) by the reaction of tetrakis(dimethylamido)-hafnium with water. The best ALD growth with the lowest concentration of hydrogen was achieved at a temperature of 300°C. Both lower and higher deposition temperatures caused higher hydrogen concentrations due to parasitic CVD-like processes or thermal decomposition of the precursor. Moreover a correlation between the growth rate per cycle, the layer thickness uniformity and the hydrogen concentration in the HfO2 films was observed. Resistive switching was examined in amorphous (150°C) and polycrystalline (300°C) HfO2 films with unstructured bottom electrodes and circular structured top electrodes. The use of symmetric Pt-Pt-electrodes caused the unipolar switching mode in both layer types. The unipolar switching mode was also observed when asymmetric Pt-Ti/Pt-electrodes were used with an amorphous phase of the HfO2 layer. An exception is the use of asymmetric electrodes with the polycrystalline phase of the HfO2 layer. In this case electroforming with the application of positive voltage to the top electrode resulted in the bipolar switching mode. This is explained when looking at the filament growth direction during electroforming. TiO2 thin films were grown by reactive magnetron sputtering. The stoichiometry of these layers was modified by irradiation with Ar-ions. The preferential sputtering of oxygen compared to titanium causes a surface-near oxygen deficient TiOx layer due to the used ion energy of 2 keV. The depth of the TiOx layer was estimated to be 4 nm by using a TRIDYN simulation. While a Schottky contact formed between a TiO2 layer and a Pt-electrode, the use of a TiOx layer led to an ohmic contact. Symmetric Pt-Pt-electrodes were used to characterize resistive switching of TiO2 layers which have been irradiated with Ar-ions. The tested fluences ranged from 1×10^13 Ar+/cm2 to 1 × 10^16 Ar+/cm2. A fluence of 1 × 10^14 Ar+/cm2 resulted in the best yield and highest endurance.

Gegenstand der wissenschaftlichen Arbeit ist der technologische Nachweis für die Erzeugbarkeit haftfester metallischer und keramischer Schichten auf textilen Flächengebilden mit den PVD-Technologien reaktives Magnetron-Sputtern und reaktives Vakuumbogen-Verdampfen. Basis für die Realisierung der experimentellen Untersuchungen sind sowohl vorhandene industrielle PVD-Beschichtungsanlagen, die im Batchbetrieb arbeiten, als auch Rollcoater als Bindeglied zwischen einer Labor- und einer Industrieanlage. Kern des Vorhabens sind umfangreiche Batchbeschichtungen auf Basis einer breit angelegten Experimentalmatrix bezüglich Substrat- und Schichtauswahl. Gängige Targetmaterialien sind Kupfer, Aluminium und Silber. Um zu zeigen, dass über das thermische Bedampfen hinaus neue Schichten und Schichtsysteme auf textilen Faserstoffen abgeschieden werden können, wurden zusätzlich die Targetmaterialien Titan und Zirkonium in die Untersuchungen einbezogen. Zur Herstellung sowohl metallischer als auch keramischer Schichten wird neben den technologischen Parametern Beschichtungszeit und Schichtmaterial der Reaktivgasfluss variiert. Als Substrate kamen zwei leichtgewichtige PA 6.6-Gewebe mit unterschiedlicher Bindung, ein kalanderverfestigter Vliesstoff aus PES und ein Spinnvliesstoff aus Kern-Mantel-Fasern mit einem PA 6 Mantel zum Einsatz. Zur Verbesserung der Schichthaftungen wurden Versuche zur Vorbehandlung mittels Plasmabehandlung in Argon und Sauerstoff, mit Gasphasenfluorierung sowie HMDSO-Behandlung mit einem PA 6.6-Gewebe durchgeführt. Im Anschluss an die Vorbehandlung wurden die Proben mit Titan und Titannitrid metallisiert. Die Charakterisierung der Substrat-Schicht-Verbunde erfolgt hinsichtlich - der chemischen Zusammensetzungen der Schichten mittels ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), - der Schichtstrukturen und Fasermorphologien mittels Rasterelektronenmikroskopie, - der E-Moduln an Referenzprobekörpern aus Edelstahl mittels Härtemessung, - der Schichthaftungen durch Waschversuche, Martindale-Scheuertest, Peel-Test und - der funktionellen Schichteigenschaften wie Oberflächenwiderstände, elektromagnetische Schirmdämpfung, Wärmedämmeigenschaften Im Ergebnis der experimentellen Untersuchungen werden grundlegende Erkenntnisse zum Einfluss der PVD-Technologien und der Prozessparameter auf genannte Schicht- und Fasereigenschaften aufgezeigt. Des Weiteren werden die Zusammenhänge zwischen Schichtstruktur, Fasermorphologie und Schichthaftung dargelegt. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen für eine gezielte industrielle Anwendung und Vorschläge für weiterführende wissenschaftliche Arbeiten abgeleitet. Die PVD-Verfahren werden bezüglich ihrer Eignung für die Textilbeschichtung bewertet. / Subject of the scientific study is the technological proof for the possibility to generate well adherent metallic and ceramic layers on textile fabrics with the PVD technologies reactive magnetron sputtering and reactive arc evaporation. Basis for the experimental investigations were both an industrial PVD coating device of the batch-type and a roll-coater which is a connective link between a laboratory and an industrial coating device. Extensive batch coatings on basis of a broadly applied experimental matrix in terms of the choice of the substrate and layer material are basis of the project. Usual target materials were copper, aluminium and silver. Additionally, the target materials titanium and zirconium were included in the investigations in order to show that new layers and layer systems can be deposited on textile fabrics by means of the investigated PVD technologies in comparison with thermal evaporation. Apart from the technological parameters coating time and layer material, the reactive gas flow were varied to deposit both metallic and ceramic layers. Substrates used in this study were lightweight Pa 6.6 fabrics with different weaves of the fabric, a calender bonded nonwoven of PES and a spunbonded nonwoven consisting of sheath-core fibers of PES (sheath) and Pa 6 (core). In order to improve the adhesion of layers, different pretreatments of the PA 66 fabric were carried out by means of plasma treatment with argon and oxygen, gas phase fluorination and treatment with HMDSO respectively. Subsequently, the pretreated samples were metallized with titanium and titanium nitride. The characterisation of the substrate layer combinations were carried out regarding - the chemical compositions of the layers by means of ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), - the layer structures and fiber morphologies by means of raster electron microscopy, - the modulus of elasticity on reference specimens consisting of stainless steel by means of hardness measurement, - the layer adhesion by wash tests, Martindale abrasion test, peel tests and - the functional layer characteristics such as surface resistances, electromagnetic shielding, heat insulating characteristics In the result of the experimental investigations, extensive knowledge to the influence of the PVD technologies and process parameters on layer and fiber characteristics are presented. Furthermore, the correlation of layer structure, fiber morphology and layer adhesion are explained. Conclusions for a selective industrial application and suggestions for further scientific investigations are derived from the results. The PVD procedures are evaluated concerning their suitability for the coating of textiles.

The main focus of this master thesis is the investigation of the anode catalysts for the Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEM-WEs). PEM-WEs play a pivotal role in the hydrogen economy concept as they allow water decomposition into oxygen and hydrogen. However, their operation requires expensive noble metal catalysts, i.e., iridium or platinum. This issue has yet to be solved to mass-produce PEM-WEs. Consequently, our main objective is to reduce the amount of iridium on the anode of PEM-WEs. We addressed this objective by two distinct approaches: morphological and chemical. With the morphological approach, plasma etching of the membrane and the magnetron sput- tering of CeO2 served to increase the membrane's active surface. Hence we improved the catalysts utilization. With the chemical approach, we focused on the catalyst itself. Thus, we replaced the pure iridium catalyst with a bimetallic iridium-ruthenium one. Therefore, the activity of the catalyst was enhanced while its price got reduced. To ex- plain and describe the catalyst's behavior, we used various electrochemical methods and surface analysis techniques. Finally, we combined both approaches to obtain one active, stable, and low-iridium-loading anode catalyst for PEM-WE.

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In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von Ta- und TaN-Schichten auf Si- und SiO_2-Substraten untersucht Die Schichten werden dabei unter technologienahen Bedingungen mittels Magnetron-Sputtern abgeschieden. Die Untersuchungen erfolgen hauptsächlich mit winkelaufgelöster röntgenstrahlungsangeregter Photoelektronenspektroskopie (ARXPS). Die Analysen erfolgen in situ, ohne Unterbrechung des Ultrahochvakuums, um die Deposite vor Oxidation und Kontamination zu schützen. Zur zerstörungsfreien Tiefenprofilanalyse wird ein Quantifizierungsalgoritmus beschrieben und angewandt. Für die Kombination Ta/Si wird die Bildung einer zunächst unvollständigen TaSi_2-Schicht, danach das Aufwachsen von Ta auf diese Zwischenschicht beobachtet. Für die Kombination Ta/SiO_2 wird eine Reduktion des SiO_2-Substrates bei gleichzeitigem Aufwachsen von Ta-Oxiden beobachtet. Auf dem durchmischten Schichtstapel wächst danach Ta auf. Für die Kombination TaN/Si wird die Bildung einer Si-N-Zwischenschicht bei gleichzeitigem Wachsen einer TaN-Schicht beobachtet. Für die Kombination TaN/SiO_2 wird das Aufwachsen einer TaN-Schicht ohne Ausbilung von Zwischenschichten beobachtet. Das Wachstumsverhalten des Ta/Si-Systems wird zusätzlich mit in situ Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Es wurden Untersuchungen zur thermischen Stabilität von abgeschiedenen Schichten an den Systemen Ta/Si und TaN/SiO_2 durchgeführt. Als mögliche Alternative zur winkelaufgelösten XPS wurden Untersuchungen mittels synchrotronstrahlungsangeregter Photoelektronenspektroskopie bei variierter Anregungsenergie durchgeführt.

The present thesis addresses a sustainable approach to mechanically flexible and transparent electronic devices based on the amorphous oxide semiconductor zinc tin oxide (ZTO) as abundant and low-cost alternative to already industrially established materials such as amorphous indium gallium zinc oxide. ZTO thin films are deposited by radio frequency long-throw magnetron sputtering at room temperature to generally enable the implementation of common photolithography processes and further facilitate patterning of digital circuit elements on thermally unstable organic substrates. Starting with the most basic device building blocks of integrated circuitry, various types of field-effect transistors are fabricated by implementation of amorphous ZTO as active channel material. Metal-semiconductor field-effect transistors and pn heterodiode based junctions field-effect transistors as well as conventional metal-insulatorsemiconductor field-effect transistors are then compared regarding their electrical performance and long-term stability over a couple of months. A decisive step toward the successful interconnection of fundamental digital circuit elements, such as previously demonstrated simple inverters, is to ensure sufficient output level compatibility between the signals of associated logic components. Accordingly, the Schottky diode field-effect transistor logic approach is adapted for amorphous ZTO based devices in order to facilitate cascading of multiple inverters consisting of unipolar devices. Field-effect transistor properties as well as the circuit design have been continuously improved to enhance the overall performance in terms of functionality and low-voltage operation. Corresponding logic inverters are finally integrated in ring oscillator circuits to gain insights into the dynamic properties of digital circuit building blocks based on amorphous ZTO. Ultimately, ZTO has been fabricated on mechanically flexible polyimide substrates to determine the elastic and electrical properties of amorphous ZTO thin films in dependence on external tensile and compressive stress induced by mechanical bending. Further, associated flexible metal-semiconductor field-effect transistor are investigated regarding their performance stability under tensile strain. / Die vorliegende Arbeit umfasst die Herstellung und Charakterisierung aktiver elektrischer Bauelemente und integrierter Schaltkreise auf Basis des amorphen Oxidhalbleiters Zink-Zinnoxid (ZTO). Als vielversprechende nachhaltige und kostengünstigere Alternative zu dem bereits industriell etablierten Halbleiter Indium-Gallium-Zinkoxid wird insbesondere die Eignung von ZTO in optisch transparenter sowie mechanisch flexibler Elektronik untersucht. Um entsprechend Kompatibilität mit thermisch instabilen organischen Substraten sowie herkömmlichen Fotolithografieverfahren zu gewährleisten, beschränkt sich die Züchtung von ZTO-Dünnfilmen mittels Hochfrequenz-Magnetron-Distanzkathodenzerstäubung ausschließlich auf Herstellungsprozesse bei Raumtemperatur. Zunächst wird auf die Umsetzung verschiedener Feldeffekttransistor-Typen auf Basis amorphen ZTOs eingegangen, welche elektrisch charakterisiert und schließlich vor dem Hintergrund der Anwendung in integrierten Schaltkreisen vergleichend gegenübergestellt werden. Neben konventionellen Metall-Isolator-Halbleiterstrukturen wird vor allem näher auf Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sowie Sperrschicht-Feldeffekttransistoren auf der Grundlage von pn-Heteroübergängen eingegangen, da diese hauptsächlich in Bereichen hoher geforderter Schaltfrequenzen zum Einsatz kommen. Da integrierte Schaltkreise auf Basis unipolarer Feldeffekttransistoren eines Ladungsträgertyps inkonsistente Signaleingangs- sowie -ausgangspegel aufweisen, wird die Schottky- Dioden-Transistorlogik adaptiert, um entsprechend die Verknüpfung mehrerer Logikgatter auf Basis amorphen ZTOs zu gewährleisten. Durch geeignete Signalrückkopplung werden komplexere Schaltungen wie Ringoszillatoren realisiert, welche anhand von Laufzeitanalysen Aufschluss über die Schaltgeschwindigkeit ZTO basierter Feldeffekttransistoren geben. Abschließend werden amorphe ZTO-Dünnfilme auf flexiblen Polyimid-Substraten hergestellt und bezüglich der elastischen sowie elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von exzessivem mechanischen Stress untersucht. Darüber hinaus werden flexible Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren hinsichtlich ihrer Funktionalität und Stabilität gegenüber durch Biegeprozesse induzierte Verspannungen elektrisch charakterisiert.

In der vorliegenden Arbeit wird die Gruppe der amorphen oxidischen Halbleiter um das multi-kationische und multi-anionische Zinkmagnesiumoxinitrid erweitert und der Ladungstransport für amorphes Zink-Zinnoxid, amorphes Zinkoxinitrid und Zinkmagnesiumoxinitrid mit einem \textit{Random Band-Edge}-Modell beschrieben. \\ % Im ersten Teil der Arbeit werden Zinkmagnesiumoxinitrid-Dünnfilme mit einem reaktiven Magnetron Co-Sputterverfahren abgeschieden und anschließend im Hinblick auf ihre strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften untersucht. Der Magnesiumgehalt in den Dünnfilmen wird einmal durch die Leistung am Magnesiumtarget und einmal über die Abscheidung eines kontinuierlichen Kompositionsgradienten variiert. Mit Röntgen\-diffrakto\-metrie wird überprüft, ob sich im Vergleich zu amorphem Zinkoxinitrid durch Zugabe von Magnesiumkationen kristalline Phasen bilden. Mit spektroskopischer Ellipsometrie wird die dielektrische Funktion von Zinkoxinitrid und Zinkmagnesiumoxinitrid bestimmt und so der Einfluss der Magnesiumkationen auf das Absorptionsverhalten untersucht. Die Ladungsträgerkonzentration und Hall-Mobilität werden mit Hall-Effekt Messungen bestimmt und in Abhängigkeit vom Magnesiumgehalt dargestellt. Neben der Variation des Magnesiumgehalts wird der Einfluss von molekularem Stickstoffgas, das Angebot von Stickstoffradikalen mit einer Radiofrequenz-Plasmaquelle und die Auswirkungen der Targeterosion auf die elektrischen Eigenschaften der Zink\-magnesium\-oxinitrid-Dünnfilme untersucht.\\ % Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung des \textit{Random Band-Edge}-Modells von Nenashev \textit{et al.} [Phys. Rev. B 100, 125202 (2019)] zur Beschreibung des Ladungstransports in amorphen oxidischen Halbleitern eingeführt. Mit dem Modell werden die Potentialfluktuationen der Mobilitätskante quantifiziert. Außerdem werden theoretische Modellparameter für die intrinsische Bandmobilität, das Femilevel und die Dichte lokalisierter Defektzustände an der Mobilitätskante bestimmt. Dafür werden temperaturabhängige Hall-Effekt Daten von amorphem Zink-Zinnoxid, Zinkoxinitrid und Zinkmagnesiumoxinitrid ausgewertet. Für Zink-Zinnoxid werden drei Probenserien mit jeweils einem variierenden Prozessparameter evaluiert: das Zn:Sn-Kationenverhältnis und der Sauerstoffpartialdruck für eine Abscheidung mit der gepulsten Laserdeposition und der Gesamtdruck für das Magnetronsputterverfahren. Daneben wird Zinkoxinitrid mit einer Variation der Substrattemperatur und Zinkmagnesiumoxinitrid mit einer Variation der Magnesiumkationenkonzentration modelliert.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Amorphe oxidische Halbleiter 2.2 Defekte in amorphen oxidischen Halbleitern 2.3 Amorphe oxiische Halbleiter im Detail 2.4 Ladunstransport in amrophen oxidischen Halbeleitern - eine Übersicht 2.5 Random Band-Edge-Modell nach Nenashev et al. 3 Methoden 3.1 Magnetronsputterverfahren 3.2 Chemische und strukturelle Charakterisierung 3.3 Optische Charakterisierung 3.4 Elektrische Charakterisierung 4 ZnMgON-Dünnfilme 4.1 Chemische Komposition 4.2 Strukturelle Eigenschaften 4.3 Optische Eigenschaften 4.4 Elektrische Eigenschaften 4.5 ZnMgON -Untersuchung der Prozessparameter im Detail 4.6 Diskussion und Zusammenfassung - ZnMgON-Dünnfilme 4.7 Abschätzung der Potentialfluktuationen durch einen Vergleich zwischen Hall- und Drude-Mobilität 5 Erweiterung des Random Band-Edge-Modells 5.1 Variation der Modellparameter des erweiterten RBE-Modells 6 Analyse des Ladungstransports in AOS mit dem erweiterten RBE-Modell 6.1 a-IGZO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.2 a-ZTO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.3 a-ZnON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.4 ZnMgON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.5 Diskussion 6.6 Zusammenfassung - Erweiterung des RBE-Modells 7 Zusammenfassung und Ausblick / In the present work, the amorphous oxide semiconductor zinc magnesium oxynitride, as a multi-cationic and multi-anionic compound, is deposited and characterized. Further, the electrical transport properties of amorphous zinc tin oxide, amorphous zinc oxynitride and zinc magnesium oxynitride are described by an extended \textit{random band-edge} model.\\ % In the first part of this work, zinc magnesium oxynitride thin films are deposited by reactive magnetron co-sputtering and are subsequently investigated with regard to their structural, optical and electrical properties. The magnesium content in the thin films is varied by the power at the magnesium target and by depositing a continuous composition gradient. X-ray diffractometry is used to check whether crystalline phases occur due to the addition of magnesium cations. Spectroscopic ellipsometry is used to determine the dielectric function of zinc oxynitride and zinc magnesium oxynitride to investigate the influence of magnesium cations on the absorption behavior. The charge carrier concentration and Hall-mobility are determined with Hall-effect measurements and are presented as a function of magnesium content. In addition to the variation of magnesium content, the influence of molecular nitrogen gas, the supply of nitrogen radicals with a radio frequency plasma source, and the effect of target poisoning on the electrical properties of zinc magnesium oxynitride thin films are investigated.\\ % In the second part of the work, an extension of the \textit{random band-edge} model by Nenashev \textit{et al.} [Phys. Rev. B 100, 125202 (2019)] is proposed to analyze the charge carrier transport in amorphous oxide semiconductors. The model allows quantifying the potential fluctuations of the mobility edge. Besides this, theoretical model parameters as the intrinsic band mobility, the Fermi level, and the density of localized defect states at the mobility edge are determined. Therefore, temperature-dependent Hall effect data of amorphous zinc tin oxide, zinc oxynitride and zinc magnesium oxynitride are evaluated. For zinc tin oxide three different sample series are evaluated: with Zn:Sn cation and oxygen partial pressure variation for a pulsed laser deposition process and with variation of the total pressure for a magnetron sputtering process. In addition, zinc oxynitride thin films with a variation of substrate temperature and zinc magnesium oxynitride thin films with a variation of magnesium cation concentration are modeled.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Amorphe oxidische Halbleiter 2.2 Defekte in amorphen oxidischen Halbleitern 2.3 Amorphe oxiische Halbleiter im Detail 2.4 Ladunstransport in amrophen oxidischen Halbeleitern - eine Übersicht 2.5 Random Band-Edge-Modell nach Nenashev et al. 3 Methoden 3.1 Magnetronsputterverfahren 3.2 Chemische und strukturelle Charakterisierung 3.3 Optische Charakterisierung 3.4 Elektrische Charakterisierung 4 ZnMgON-Dünnfilme 4.1 Chemische Komposition 4.2 Strukturelle Eigenschaften 4.3 Optische Eigenschaften 4.4 Elektrische Eigenschaften 4.5 ZnMgON -Untersuchung der Prozessparameter im Detail 4.6 Diskussion und Zusammenfassung - ZnMgON-Dünnfilme 4.7 Abschätzung der Potentialfluktuationen durch einen Vergleich zwischen Hall- und Drude-Mobilität 5 Erweiterung des Random Band-Edge-Modells 5.1 Variation der Modellparameter des erweiterten RBE-Modells 6 Analyse des Ladungstransports in AOS mit dem erweiterten RBE-Modell 6.1 a-IGZO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.2 a-ZTO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.3 a-ZnON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.4 ZnMgON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.5 Diskussion 6.6 Zusammenfassung - Erweiterung des RBE-Modells 7 Zusammenfassung und Ausblick

Several sputtering depositions were done by direct current (DC) magnetron sputtering epitaxy (MSE) techniquefor the goal of improving the growth rate and crystalline quality of GaN thin film on Al2O3 substrate. Thegrowth rate was higher when substrate-to-target distance D = 7 cm compared with D = 9.3 cm with eitherfloating or positive bias on the substrate side. The crystalline quality was improved by raising up the growthtemperature from 700◦C to 900◦C, but the quality was declined from 900◦C to 1000◦C due to strong desorption.Gas composition in the metal mode gives better quality due to its sufficient Ga condition with less N2. Positivesubstrate bias boosted the plasma potential and therefore created higher actual sputtering power comparedwith the condition at floating substrate potential. In general, applying a higher power can elevate the growthrate and film quality. However, there has not been an evident difference of both growth rate and film qualitywhen the actual sputtering power is close for floating substrate potential and positive substrate bias.

Physical vapor deposition (PVD) refers to the removal of atoms from a solid or a liquid by physical means, followed by deposition of those atoms on a nearby surface to form a thin film or coating. Various approaches and techniques are applied to release the atoms including thermal evaporation, electron beam evaporation, ion-driven sputtering, laser ablation, and cathodic arc-based emission. Some of the approaches are based on a plasma discharge, while in other cases the atoms composing the vapor are ionized either due to the release of the film-forming species or they are ionized intentionally afterward. Here, a brief overview of the various PVD techniques is given, while the emphasis is on sputtering, which is dominated by magnetron sputtering, the most widely used technique for deposition of both metallic and compound thin films. The advantages and drawbacks of the various techniques are discussed and compared.

Manganese-based Heusler compounds display intriguing fundamental physical properties, determined by the delicate balance of magnetic interactions that give rise to real and reciprocal-space topology, sparking the interest in their potential application in the spin-based technology of the future. In this thesis, a thorough study of thin films of two Mn-based Heusler compounds, the hexagonal MnPtGa and inverse tetragonal Mn2Rh(1-x)Ir(x)Sn (0 < x < 0.4) system, was performed. The observation of Néel-type skyrmions in single-crystalline MnPtGa motivated our interest in the growth and characterization of thin films of this compound. The films were deposited by magnetron sputtering on (0001)-Al2O3 single crystalline substrates, achieving the epitaxial growth of the Ni2In-type hexagonal crystal structure (P6_3/mmc space group, no. 194). Two thermally-induced magnetic transitions were identified in MnPtGa thin films: below the ordering temperature (T_C=273 K) the system becomes ferromagnetic, followed by a spin-reorientation transition at T_sr=160 K, adopting a spin-canted magnetic structure. Resorting to single-crystal neutron diffraction (SCND), we were able to resolve the magnetic ground state of our MnPtGa thin films. The Mn magnetic moments were found to tilt 20 degrees away from the c-axis, forming a commensurate magnetic structure with a ferromagnetic component along the crystallographic c-axis and a staggered antiferromagnetic one in the basal plane. This further demonstrated the applicability of a bulk technique, such as SCND, to the study of magnetic structures in thin films. Additionally, the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in the system was determined by magnetometry technique. Electrical magnetotransport measurements were performed in a thickness series of MnPtGa thin films. A non-monotonous anomalous Hall conductivity (AHC) was observed, whose intrinsic Berry-curvature origin was elucidated by means of first-principle calculations. We further observed by magnetic force microscopy technique the nucleation of irregular magnetic bubbles under the application of a magnetic field. We tentatively link their appearance to the onset of an additional electron scattering mechanism contributing to the transverse resistivity. In the second part of this thesis, the inverse tetragonal Mn2Rh(1-x)Ir(x)Sn (0 < x < 0.4) system was investigated. The films were grown on MgO(100) single crystalline substrates, promoting the epitaxial growth of the tetragonal structure (I-4m2 space group, no. 119). We primarily focused on the impact of the systematic substitution of iridium on the structural, magnetic and electrical (magneto)transport properties of the system. A compression of the basal lattice parameters and elongation of the c-axis, accompanied by larger crystallographic disorder, was observed as the Ir content (x) increased, altering the Mn-Mn exchange interactions and therefore the magnetic properties of the compound. Mn2RhSn have two thermally-induced magnetic transitions: first, to a collinear ferrimagnetic state below the Curie temperature (T_C=280 K), followed by a spin-reorientation transition at T_sr=80 K to a noncollinear state, determined by two inequivalent Mn sublattices. A reduction of both T_C and T_sr was observed, as well as a tendency towards a hard-axis ferromagnet and therefore larger PMA as the Ir content of the films was increased. Additionally, a reduction of the saturation magnetization suggest a change of the magnitude of the spin canting upon Ir-substitution. The electrical magnetotransport properties of the Mn2Rh(1-x)Ir(x)Sn (0 < x < 0.4) thin films were acquired and analyzed in a wide temperature and magnetic field range. A strongly temperature and composition dependent non-monotonous AHC was found, suggesting two regimes in the electronic transport: (i) a nearly x-independent regime dominated by intrinsic Berry-curvature and (ii) a strongly x-dependent regime suggesting a more relevant role from extrinsic mechanisms contributing to the AHC. On the other hand, the Mn2Rh(0.95)Ir(0.05)Sn bulk system is known to host magnetic skyrmion and antiskyrmion phases. We indirectly assessed the impact of the systematic Ir-substitution on the (anti)skyrmionic phases through the analysis of the sign of the topological Hall effect in our thin films. A tendency towards the suppression of the low-T skyrmion phase stabilized by magnetic dipole-dipole interaction, and subsistence of the high-T antiskyrmion phase in Mn2Rh(1-x)Ir(x)Sn thin films was found as x > 0.2, which can be interpreted as a change of magnitude of the anisotropic DMI in this tetragonal D_2d system upon Ir-substitution. We have thus demonstrated that the magnetic and topological properties of the Mn2Rh(1-x)Ir(x)Sn system can be tailored upon chemical substitution, showing a strongly intertwined relation between composition, crystal and electronic structure, with the emergence of exotic magnetic phases, ultimately reflected in their electrical transport signatures.:Abstract iii Abbreviations iv Symbols vi Preface xii 1 Fundamentals 1 1.1 Noncollinear magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Magnetic interactions in solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1.1 Exchange interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1.2 Dzyaloshinsky-Moriya interaction . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1.3 Magnetic anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1.4 Magnetic dipolar interaction . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Spin-reorientation transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.3 Magnetic skyrmions and antiskyrmions . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3.1 Antiskyrmions in Heusler compounds . . . . . . . . . . 8 1.2 Magnetic Heusler compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.1 Cubic crystal structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Distorted crystal structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2.1 Tetragonal Heusler compounds . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2.2 Hexagonal Heusler compounds . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Charge and spin transport in ferromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.1 The two-current model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2 The Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.2.1 Anomalous Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3.2.2 Topological Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4 Neutron scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.1 Thermal Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.1.1 Scattering cross sections . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.1.2 The four-circle diffractometer . . . . . . . . . . . . . . 23 xv 1.4.2 Magnetic neutron scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2 Experimental Techniques 29 2.1 Magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1.1 Thin films growth modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.2 Thin films microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 X-ray characterization of thin films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.1 Geometry of the X-ray diffractometer . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.2 Radial θ-2θ scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.3 ϕ -scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.4 Rocking curves (ω-scans) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.5 X-ray reflectivity (XRR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3 Composition analysis: energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) . . . 38 2.4 Surface characterization: atomic and magnetic force microscopy . . . . 38 2.5 D10 thermal neutron diffractometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.6 SQUID-VSM magnetometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.7 Electrical (magneto-)transport measurements . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Noncollinear magnetism in MnPtGa epitaxial thin films 43 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2 MnPtGa thin films: growth and characterization . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.1 Growth conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.2 Crystal structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3 Magnetic properties of MnPtGa thin films . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.1 Thermal evolution of the magnetic structure . . . . . . . . . . . 49 3.3.2 Field dependent magnetization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3.3 Single-crystal neutron diffraction in MnPtGa thin films . . . . . 52 3.3.3.1 Ferromagnetic phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3.3.2 Noncollinear phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4 Electronic band structure of h-MnPtGa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.5 Electrical magnetotransport properties of MnPtGa thin films . . . . . . 59 3.5.1 Zero field longitudinal resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.5.2 Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.5.3 Magnetic transitions under a magnetic field . . . . . . . . . . . 64 3.6 Intrinsic origin of the anomalous Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.6.1 Scaling of the anomalous Hall conductivity vs. σxx . . . . . . . 68 3.7 Spin textures in MnPtGa thin films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4 Tuning the magnetic and topological properties of Mn2Rh1−xIrxSn epitaxial thin films 83 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2 Growth and characterization of Mn2Rh1−xIrxSn thin films . . . . . . . 86 4.2.1 Growth conditions and Ir substitution . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2.2 Crystal structure of Mn2Rh1−xIrxSn . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.3 Tuning the magnetic properties of the Mn2Rh1−xIrxSn system . . . . . 91 xvi 4.3.1 Thermal magnetic transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.2 Increasing the magnetic anisotropy under Ir-substitution . . . . 92 4.4 Electrical (magneto-)transport properties of Mn2Rh1−xIrxSn thin films 94 4.4.1 Zero-field longitudinal resistivity and spin reorientation transition 94 4.4.2 Magnetoresistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.4.3 Hall effects: from ordinary to anomalous & topological . . . . . 96 4.4.3.1 Ordinary Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.4.3.2 Anomalous Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.4.3.3 Competing mechanisms in the AHC of the Mn2Rh1−xIrxSn system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4.3.4 Scaling of the AHC with the magnetization . . . . . . 101 4.4.3.5 Topological Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.5 Tuning the (Anti-)Skyrmion phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5 Conclusions & Outlook 111 List of Figures 117 List of Tables 120 List of Publications 124 Aknowledgements 124 Bibliography 127 Eigenständigkeitserklärung 147