Weltweit wird ein großer Teil der Energie für die Kühlung unterschiedlichster Arten verwendet und der Bedarf steigt weiterhin an. Herkömmliche Kühlsysteme funktionieren mittels Kompression von Gasen mit sehr niedriger Verdampfungstemperatur. Diese Kältemittel sind entweder giftig, brennbar oder klimaschädlich. Deshalb zielen aktuelle Forschungsschwerpunkte auf alternative und nachhaltige Kühlsysteme. Eine vielversprechende Alternative ist der Einsatz von Festkörpern mit Phasenumwandlungen. Die durch verschiedene (magnetische, elektrische oder elastische) Felder induzierten Phasenübergänge ermöglichen die Nutzung kalorischer Effekte. Der magnetokalorische Effekt (MKE) beschreibt das physikalische Phänomen, bei dem ein sich veränderndes äußeres Magnetfeld unter adiabatischen Bedingungen zu einer Temperaturänderung in einem magnetischen Material führt. Für die Nutzung des MKE in Kühlsystemen stellen die Ni-Mn-X (X = Ga, In, Sb, Sn) Heusler-Legierungen eine geeignete Materialklasse dar. Sie besitzt mit ihrer gekoppelten magnetostrukturellen Umwandlung, bei der eine martensitische Phasenumwandlung auch die magnetischen Eigenschaften ändert, ein großes Potential für einen MKE. Beim Absenken der Temperatur unter die Umwandlungstemperatur kommt es zu einer diffusionslosen Strukturumwandlung von einer hohen zu einer niedrigeren Kristallsymmetrie. Dabei wird die Hochtemperaturphase als Austenit und die Niedrigtemperaturphase als Martensit bezeichnet. Werden einige Atomprozent Kobalt zu Ni-Mn-Ga hinzulegiert, ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Phasen deutlich. So zeigt Ni-Mn-Ga-Co einen magnetostrukturellen Übergang zwischen der ferromagnetischen Austenitphase und der ferrimagnetischen Martensitphase und damit einen inversen MKE. Beim Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes kommt es demnach zu einer Abkühlung des funktionalen Materials und damit zu positiven Werten der Entropieänderung. Für die Anwendung dieser Festkörper als Kühlelemente in Mikrosystemen ist die Entwicklung und Charakterisierung dünner Schichten nötig. Ihr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis ermöglicht einen schnellen Wärmeaustausch mit dem umgebenden Medium, wodurch hohe Zyklusfrequenzen erreichbar sind. Entsprechend können hohe spezifische Kühlleistungen erzielt werden. Epitaktische Ni-Mn-basierende Heusler-Legierungsschichten sind außerdem ein gutes Modellsystem für die Untersuchung des Einflusses von Ober- und Grenzflächen auf die Phasenumwandlung und die Materialeigenschaften und erlauben Untersuchungen zu den Ursachen der Hysterese, die bei einer martensitischen Phasenumwandlung auftritt. In dieser Arbeit werden epitaktisch gewachsene Ni-Mn-Ga-Co-Schichten, die eine gekoppelte strukturelle und magnetische Phasenumwandlung nahe Raumtemperatur besitzen, hergestellt und charakterisiert. Ausgehend von Vorarbeiten zu Ni-Mn-X-Schichten und vielversprechenden Zusammensetzungen, die von Massivmaterialproben bekannt sind, wird durch die Variation der Herstellungsparameter und der chemischen Zusammensetzung der Schichten, magnetostrukturelle Umwandlungen mit scharfen Umwandlungsbereichen und geringer thermischen Hysterese bei großer Magnetisierungsänderung erzielt. Anhand von zwei mittels Kombinatorik hergestellter Probenserien wird der Einfluss des Kobalt-Gehaltes auf strukturelle, magnetische und kalorische Eigenschaften untersucht und entspricht den Ergebnissen von Untersuchungen an Ni-Mn-Ga-Co-Massivmaterialien. Es wird gezeigt, wie sich die magnetischen und kalorischen Eigenschaften der Schichten nach der Ablösung vom Substrat ändern. Die Entropieänderung, die ein für die kalorischen Eigenschaften sehr wichtiger Parameter ist, wird indirekt mit Hilfe geeigneter Magnetisierungsmessungen bestimmt und zeigt vielversprechende Werte von bis zu 9,9 J/(kg K). Die Ergebnisse der verschiedenen Messwege durch den Magnetfeld-Temperatur-Phasenraum werden verglichen und die Unterschiede entsprechend des Nukleations- und Wachstumsmodells der martensitischen Umwandlung erläutert. Die Umwandlungszyklenzahl beeinflusst die Wiederholbarkeit der temperaturabhängigen Magnetisierungskurven und damit auf strukturelle und magnetische Eigenschaften der Schichten deutlich und reduziert die thermische Hysterese. Mittels unvollständiger Umwandlungszyklen kann die martensitische Umwandlung derart beeinflusst werden, dass sich die thermische Hysterese reduzieren lässt. Dadurch werden bestehende Nukleations- und Wachstumsmodelle der martensitischen Umwandlung bestätigt.

A new approach to the growth of MoSe2 thin films on epitaxial graphene on SiC(0001) by the use of modulated elemental reactants (MER) precursors has been reported. The synthesis applies a two-step process, where first an amorphous precursor is deposited on the substrate which self-assembles upon annealing. Films with a nominal thickness of about 1ML are successfully grown on epitaxial graphene monolayer as well as buffer layer samples. Characterization of the films is performed using XPS, LEED, AFM, and Raman spectroscopy. The films are nanocrystalline and show randomly rotated domains. This approach opens up an avenue to synthesize a number of new van-der-Waals systems on epitaxial graphene and other substrates.

A novel strategy for the intercalation of antimony (Sb) under the (6√3 × 6√3)R30° reconstruction, also known as buffer layer, on SiC(0001) is reported. Using X-ray photoelectron spectroscopy, low-energy electron diffraction, and angle-resolved photoelectron spectroscopy, it is demonstrated that, while the intercalation of the volatile Sb is not possible by annealing the Sb-coated buffer layer in ultrahigh vacuum, it can be achieved by annealing the sample in an atmosphere of Ar, which suppresses Sb desorption. The intercalation leads to a decoupling of the buffer layer from the SiC(0001) surface and the formation of quasi-freestanding graphene. The intercalation process paves the way for future studies of the formation of quasi-freestanding graphene by intercalation of high-vapor-pressure elements, which are not accessible by previously known intercalation techniques, and thus provides new avenues for the manipulation of epitaxial graphene on SiC.

Deux mécanismes importants reliant la préparation des couches ultraminces d’oxydes magnétiques à leurs propriétés physiques ont été étudiés dans ce travail. En premier lieu, l’influence de la contrainte épitaxiale sur les propriétés magnéto-optiques de la manganite La₂/₃Sr₁/₃MnO₃ (LSMO) a été étudiée. Les couches ultraminces ont été déposées par ablation laser pulsé sur quatre substrats différents, ce qui a fourni différentes valeurs statiques de la contrainte épitaxiale. Les propriétés magnétiques ont été révélées comme se détériorant avec l’augmentation de la contrainte, ce qui était prévisible à cause de la distorsion grandissante de la maille unitaire ainsi qu’à cause de l’effet de la couche magnétiquement inerte. La combinaison de l’ellipsométrie spectroscopique et de la spectroscopie Kerr magnéto-optique a été utilisée afin de déterminer les spectres des éléments diagonaux et non diagonaux du tenseur de permittivité. L’étude des éléments non-diagonaux a confirmé la présence déjà rapportée de deux transitions électroniques dans les spectres de toutes les couches. De plus, elle a révélé une autre transition électronique autour de l’énergie de 4.3 eV, mais seulement dans les spectres des couches déposées avec une contrainte compressive. Nous avons proposé la classification de cette transition comme une transition paramagnétique du champ cristallin Mn t2g → eg. Cette classification a été confortée par des calculs ab initio. Nous avons ainsi montré le rôle clé de la contrainte dans le contrôle des propriétés magnéto-optiques des couches pérovskites ultraminces. En revanche, l’application dynamique de la contrainte par l’utilisation d’une sous-couche piézoélectrique est restée peu concluante. Le transfert de la contrainte entre la sous-couche piézoélectrique et la couche LSMO nécessite des améliorations ultérieures. En second lieu, l’influence de la désorientation du substrat a été étudiée par rapport à la dynamique de l’aimantation dans l’oxyde SrRuO₃ (SRO). Comme attendu, nous avons trouvé qu’un grand angle de désorientation mène à la suppression de la croissance de plusieurs variants cristallographiques du SRO. Au moyen de la microscopie à force magnétique, nous avons montré que la présence de plusieurs variants de SRO mène à l’augmentation de la densité de défauts agissant comme points d’ancrage ou de nucléation pour les domaines magnétiques. Nous avons donc montré que l’emploi d’un substrat vicinal est important pour la fabrication des couches ultraminces de SRO de haute qualité, avec une faible densité de défauts cristallographiques et d’excellentes propriétés magnétiques. / Two important mechanisms in preparation of ultrathin films of magnetic oxides were systematically investigated in this work. First, influence of epitaxial strain on resulting magneto-optical properties of La₂/₃Sr₁/₃MnO₃ (LSMO) ultrathin films was studied. The investigated films were grown by pulsed laser deposition on four different substrates, providing a broad range of induced epitaxial strains. Magnetic properties were found to deteriorate with increasing value of the epitaxial strain, as expected due to the unit cell distortion increasingly deviating from the bulk and effect of the magnetically inert layer. A combination of spectroscopic ellipsometry and magneto-optical Kerr effect spectroscopy was used to determine spectra of the diagonal and off-diagonal elements of permittivity tensor. The off-diagonal elements confirmed presence of two previously reported electronic transitions in spectra of all films. Moreover, they revealed another electronic transition around 4.3 eV only in spectra of films grown under compressive strain. We proposed classification of this transition as crystal field paramagnetic Mn t2g → eg transition, which was further supported by ab initio calculations. A key role of strain in controlling electronic structure of ultrathin perovskite films was demonstrated. Dynamic application of strain via use of piezoelectric underlayer remained inconclusive, requiring further improvement of the strain transfer from the piezoelectric layer into the LSMO. Second, influence of substrate miscut on magnetization dynamics in SrRuO₃ (SRO) was studied. As expected we found that high miscut angle leads to suppression of multi-variant growth. By means of magnetic force microscopy we showed that presence of multiple SRO variants leads to higher density of defects acting as pinning or nucleation sites for the magnetic domains, which consequently results in deterioration of magnetic properties. We demonstrated that use of vicinal substrate with high miscut angle is important for fabrication of high quality SRO ultrathin films with low density of crystallographic defects and excellent magnetic properties.

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Als Graphen bezeichnet man eine einzelne freistehende Lage des Schichtkristalls Graphit. Im Gegensatz zur mechanischen Isolation von Graphit bietet die Züchtung auf Siliziumkarbid eine Methode zur großflächigen Herstellung von Graphen. Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften werden für Graphen viele verschieden Einsatzmöglichkeiten in diversen Bereichen prognostiziert. Mit seiner hohen Ladungsträgerbeweglichkeit ist Graphen besonders als Kanalmaterial für Feldeffekttransistoren (FET) interessant. Allerdings muss hierfür unter anderem ein geeignetes FET-Isolatormaterial gefunden werden. In dieser Arbeit wird eine detaillierte, theoretische Beschreibung der Graphen-FETs vorgestellt, die es erlaubt die steuerspannungsabhängige Hall-Konstante zu berechnen. Mit der dadurch möglichen Analyse können wichtige Kenngrößen, wie z. B. die Grenzflächenzustandsdichte des Materialsystems bestimmt werden. Außerdem wurden zwei Methoden zur Isolatorabscheidung auf Graphen untersucht. Siliziumnitrid, welches mittels plasmaangeregter Gasphasenabscheidung aufgetragen wurde, zeichnet sich durch seine n-dotierende Eigenschaft aus. Damit ist es vor allem für quasi-freistehendes Graphen auf Siliziumkarbid interessant. Bei der zweiten Methode handelt es sich um einen atomaren Schichtabscheidungsprozess, der ohne eine Saatschicht auskommt. An beiden Graphen- Isolator-Kombinationen wurde die neue Charakterisierung mittels der Hall-Datenanalyse angewandt.:1 Einleitung 2 Graphen 3 Methoden 4 Die Hall-Konstante von Graphen 5 Siliziumnitrid als Dielektrikum für Graphentransistoren 6 Aluminiumoxid auf epitaktischem Graphen 7 Zusammenfassung A Anhang

Supersaturated substitutional alloys formed by ion implantation and rapid liquid-phase epitaxial regrowth induced by pulsed-laser annealing have been studied using Rutherford-backscattering and ion-channeling analysis. A series of impurities (As, Sb, Bi, Ga, In, Fe, Sn, Cu) have been implanted into single-crystal (001) orientation silicon at doses ranging from 1 x 10^15/cm2 to 1 x 10^17/cm2. The samples were subsequently annealed with a Ω-switched ruby laser (energy density ~1.5 J/cm2, pulse duration 15 x 10-9 sec). Ion-channeling analysis shows that laser annealing incorporates the Group III (Ga, In) and Group V (As, Sb, Bi) impurities into substitutional lattice sites at concentrations far in excess of the equilibrium solid solubility. Channeling measurements indicate the silicon crystal is essentially defect free after laser annealing. The maximum Group III and Group V dopant concentrations that can be incorporated into substitutional lattice sites are determined for the present laser-annealing conditions. Dopant profiles have been measured before and after annealing using Rutherford backscattering. These experimental profiles are compared to theoretical model calculations which incorporate both dopant diffusion in liquid silicon and a distribution coefficient (k') from the liquid. It is seen that a distribution coefficient (k') far greater than the equilibrium value (k0) is required for the calculation to fit the experimental data. In the cases of Fe, Zn, and Cu, laser annealing causes the impurities to segregate toward the surface. After annealing, none of these impurities are observed to be substitutional in detectable concentrations. The systematics of these alloys systems are discussed.

In this thesis, the effect of surfactants (Bi /Sb) on GaAs(111) is explored, particularly in regards to modifying the surface morphology and growth kinetics. Both molecular beam epitaxy (MBE) and metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD) techniques are discussed in this context. InAs/GaAs(111) quantum dots (QDs) have been promoted as leading candidates for efficient entangled photon sources, owing to their high degree of symmetry (c_3v). Unfortunately, GaAs(111) suffers from a defect-ridden homoepitaxial buffer layer, and the InAs/GaAs(111) material system does not natively support Stranski{Krastanov InAs QD growth. Surfactants have been identified as effective tools to alter grown surface morphologies and growth modes, potentially overcoming these obstacles, but have yet to be studied in detail in this context. For MBE, it is shown that Bi acts as a surfactant when employed in GaAs(111) homoepitaxy, and eliminates defects/hillocks, yielding atomically-smooth surfaces with step-flow growth, and RMS roughness values of 0.13 nm. The effect is more pronounced as the Bi flux increases, and Bi is suggested to be increasing adatom diffusion. A novel reflection high energy electron diffraction (RHEED)-based experiment was also designed and performed to measure the desorption activation energy (U_Des) of Bi on GaAs(111), yielding U_Des = 1.74 ± 0.38 eV. GaAs(111) homoepitaxy was also investigated using MOCVD, with GaAs(111)B exhibiting RMS roughness values of 0.09 nm. Sb is shown to provoke a morphological transition from plastically-relaxed 2D to 3D growth for InAs/GaAs(111)B, showing promise in its ability to induce QDs. Finally, simulations for GaAs-based quantum well (QW) photoluminescence were conducted, and such QWs are shown to potentially produce very sharp linewidths of 3.9 meV. These results enhance understanding of Bi surfactant behaviour on GaAs(111) and can open up its use in many technological applications, paving the way for the realization of high efficiency/viable QD entangled photon sources. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

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Formgedächtnislegierungen wie Nickel-Titan (NiTi) können sich nach einer plastischen Verformung und anschließendem Aufheizen an ihre ursprüngliche Form „erinnern“ und diese wieder einnehmen. Als meistverwendete Formgedächtnislegierung kann NiTi als Aktor, zur Dämpfung und zur elastokalorischen Kühlen verwendet werden und kommt von der Medizintechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt zum Einsatz. Der Formgedächtniseffekt basiert auf der martensitischen Phasenumwandlung, einer diffusionslosen Strukturänderung, bei der sich die Kristallsymmetrie ändert. Bei NiTi mit etwa 50 At.-% Ni wandelt die kubische Hochtemperaturphase (Austenit) in die monokline Tieftemperaturphase (Martensit) um. Während dieser Umwandlung entsteht eine Vielzahl an Grenzflächen, wodurch sich ein komplexes martensitisches Gefüge – eine Art dreidimensionales „Puzzle“ bildet. Um NiTi-Formgedächtnislegierungen auf verschiedene Anwendungen zuzuschneiden und deren Eigenschaften zu verbessern, ist es wichtig, das Gefüge zu verstehen. Die häufig eingesetzten polykristallinen NiTi-Schichten haben dabei den Nachteil, dass die enthaltenen Korngrenzen einen zusätzlichen Parameter darstellen, der Gefügeuntersuchungen erschwert. Dagegen werden epitaktische Schichten bereits für andere magnetische Formgedächtnislegierungen als Modellsystem eingesetzt und tragen zu einem besseren Verständnis der martensitischen Umwandlung bei. Epitaktische Schichten sind einkristallin, sodass der Einfluss von Korngrenzen ausgeklammert werden kann. Außerdem dient das Substrat, das die Orientierung der Schicht vorgibt, als festes Referenzsystem. In dieser Arbeit wurden epitaktische NiTi-Schichten mit Magnetron-Sputterdeposition hergestellt, die bei Raumtemperatur martensitisch sind. Dabei wurde der Einfluss von Parametern wie Herstellungstemperatur, chemische Zusammensetzung, Wärmebehandlungsszenarien und Pufferschichten auf das Wachstum und die Eigenschaften der Schichten untersucht. So konnten Schichten in zwei unterschiedlichen Orientierungen, (100) und (111), hergestellt werden. Die so optimierten Schichten wurden anschließend dafür genutzt, das martensitische Gefüge skalenübergreifend zu untersuchen. Mit einer Kombination von Mikroskopie- und Röntgenbeugungsmethoden wurden die auftretenden Zwillingsgrenzen, Habitusebenen und Variantenorientierungen analysiert. So lässt sich feststellen, welche Martensitcluster entstehen, wie sie nukleieren und wachsen und welche Grenzflächen auftreten. Dabei ließ sich ein hierarchischer Aufbau des martensitischen Gefüges feststellen, wobei drei Zwillingsgrenzen auf unterschiedlichen Längenskalen für die Beschreibung des Gefüges nötig sind. Die auftretenden Zwillingsgrenzen sind aus Massivmaterialien bekannt, was zeigt, dass sich die Schichten gut als Modellsystem eignen. Das identifizierte, dreidimensionale Modell des Gefüges wurde mit Röntgenmethoden global bestätigt. Dazu wurden die experimentellen Ergebnisse mit zwei unterschiedlichen Martensittheorien, der phänomenologischen Martensittheorie (PTMC) und der Korrespondenztheorie (CT) verglichen. Der hierarchische Aufbau des Gefüges lässt sich zum Großteil mit den Theorien beschreiben. Die Schichten zeigen aber auch die Limitierungen der bisherigen Theorien und bieten so eine Möglichkeit für deren Weiterentwicklung.