Local studies of magnetic flux line (vortex) distribution in superconducting thin films and their pinning by natural and artificial defects have been performed using low-temperature magnetic force microscopy (LT-MFM). Taken a 100 nm thin NbN film as an example, the depinning of vortices from natural defects under the influence of the force that the MFM tip exerts on the individual vortex was visualized and the local pinning force was estimated. The good agreement of these results with global transport measurements demonstrates that MFM is a powerful and reliable method to probe the local variation of the pinning landscape. Furthermore, it was demonstrated that the presence of an ordered array of 1-μm-sized ferromagnetic permalloy dots being in a magneticvortex state underneath the Nb film significantly influences the natural pinning landscape of the superconductor leading to commensurate pinning effects. This strong pinning exceeds the repulsive interaction between the superconducting vortices and allows vortex clusters to be located at each dot. Additionally, for industrially applicable YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta} thin films the main question discussed was the possibility of a direct correlation between vortices and artificial defects as well as vortex imaging on rough as-prepared thin films. Since the surface roughness (droplets, precipitates) causes a severe problem to the scanning MFM tip, a nanoscale wedge polishing technique that allows to overcome this problem was developed. Mounting the sample under a defined small angle results in a smooth surface and a monotonic thickness reduction of the film along the length of the sample. It provides a continuous insight from the film surface down to the substrate with surface sensitive scanning techniques.

In this work, the effects of epitaxial strain and film thickness on the lattice structure, microstructure, magnetization and electrical conduction of La1-xSrxCoO3 (LSCO) (x = 0.18 and 0.30) thin films have been studied using thickness-dependent film series on several types of single-crystalline substrates. Alternatively, the direct effect of strain has been probed using a piezoelectric substrate. La0.7Sr0.3CoO3 is a ferromagnetic metal, whereas La0.82Sr0.18CoO3 is at the phase boundary between the ferromagnetic metal and an insulating spin glass phase. Epitaxial biaxial strain in La1-xSrxCoO3 (x = 0.18-0.3) films is known to reduce the ferromagnetic double exchange interactions. It has further been suggested for the control of the crystal field splitting of the Co ions which may be utilized to manipulate the spin state. The LSCO (x = 0.18 and 0.30) films have been grown by pulsed laser deposition (PLD) on substrates of LaAlO3, SrTiO3, (PbMg1/3Nb2/3O3)0.72(PbTiO3)0.28 (PMN-PT) and (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 (LSAT), which provide different strain states and, in the case of PMN-PT, a reversibly controllable strain. Thickness-dependent series of La0.82Sr0.18CoO3 on SrTiO3 and LaAlO3 as well as of La0.7Sr0.3CoO3 on LSAT have been studied. The lattice parameters of the epitaxially grown films were determined from X-ray diffraction measurements (Bragg-Brentano method and reciprocal space mapping). Large tensile strains of 2% can be achieved in thicker films of up to 100 nm. On the other hand, the films under larger tensile strain have cracks and reveal ordered superstructures in HRTEM images which are tentatively attributed to ordered oxygen vacancies. The Curie temperature and the magnetic moment of the x = 0.18 films increases towards larger film thickness in qualitative agreement with the joined effects of strain relaxation and finite thickness on magnetic ordering. In order to separate the direct strain effect from the thickness effect, the Curie temperature, the magnetic moment and the (rather large) coercivity of the films have been investigated in two electrically controlled strain states for a film on PMN-PT. Non-cracked, sufficiently thick x = 0.18 films show metallic behaviour with large magnetoresistance. The crack-free x = 0.3 films on LSAT undergo an insulator-to-metal transition with increasing thickness and also show large magnetoresistance, both consistent with a percolative transport behaviour. The spin state of the Co ions appears to remain unchanged in the investigated doping range.

In der vorliegenden Dissertation wurden magnetisch heterogene, weichmagnetische Schichten hergestellt und in ihren magnetischen Eigenschaften gezielt modifiziert. Zu Beginn wurden in makroskopischen Bereichen Strukturen mit lateral in Streifen modulierter magnetischer Anisotropie im Mikrometermaßstab hergestellt, um den Einfluss der inneren Grenzflächen auf die magnetische Hysterese zu charakterisieren. Dazu wurden über Ionenimplantation in einer funktionalen Deckschicht lokal zusätzliche mechanische Spannungen generiert, ohne die intrinsischen Eigenschaften der magnetischen Schicht zu verändern. Mit der entwickelten Methode können rein über das gezielte Induzieren mechanischer Spannungen hybride magnetische Eigenschaften mit periodisch alternierenden, magnetisch leichten Achsen erzeugt werden. Im mesoskopischen Bereich beeinflussen zusätzlich die äußere Form und die Größe der magnetisch heterogenen Elemente die magnetischen Eigenschaften. In dieser Dissertation wurde für streifenstrukturierte Quadrate ein analytisches Modell entwickelt, um die Wechselwirkungen von Grenzflächen innerhalb der Elemente und der lateralen Elementgrenzen auf das Ummagnetisierungsverhalten zu simulieren. Das modellierte Ummagnetisierungsverhalten wurde mit experimentell gemessenen Daten unterlegt und bestätigt. Im Vergleich zwischen Modell und Experiment zeigte sich, dass die Größe der externen Felder, bei denen die Magnetisierung innerhalb der Elemente schaltet, voneinander abweicht. Dies ist bedingt durch die bevorzugte Nukleation magnetischer Domänen an den lateralen Begrenzungen der quadratischen Elemente. Ein Aspekt, der die Nukleation von Domänen wesentlich beeinflusst, ist die Form der lateralen Begrenzung. Durch gezielte Manipulation des Kantenwinkels wurde das Ummagnetisierungsverhalten weichmagnetischer Kreisscheiben gesteuert. Dabei nukleiert der für Kreisscheiben charakteristische Vortexzustand bevorzugt in Elementen mit abgeschrägten Kanten. Die Gesamtheit der Daten zeigt, dass die magnetischen Eigenschaften heterogener Strukturen nicht nur von den Eigenschaften der Ausgangsmaterialien abhängen, sondern entscheidend von den Größen und Formen der Strukturierungen und der Elemente bestimmt werden.

In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten aus dem nicht-supraleitenden BaFe2As2 (Ba122) auf eisengepufferten Spinell-Einkristallsubstraten mittels der gepulsten Laserdeposition abgeschieden, strukturell charakterisiert und auf ihre physikalischen Eigenschaften hin untersucht. Durch das kohärente Aufwachsen der Ba122-Schicht bis zu einer kritischen Dicke, d_c, kommt es zu einer tetragonalen Verzerrung der Ba122-Einheitszelle (nachgewiesen durch Röntgendiffraktometrie), die zu einer supraleitenden Phase führt. In Dünnschichten mit einer Dicke der Ba122-Schicht d_c < 30 nm sind zwei Bereiche der Supraleitung existent. Ab einer Temperatur von 35 K werden erste Zeichen einer supraleitenden Phase gemessen. Es wird gezeigt, dass im Bereich zwischen 35 K und 15 K fadenförmige Supraleitung in Bereichen mit leicht geringerem Spannungszustand vorliegt. Gefunden wird dies mithilfe von Messungen in einem Suszeptometer mit supraleitendem Quanteninterferenzdetektor (SQUID-MS), durch Elektronen-Rückstreu-Beugung sowie mittels des Vergleichs mit isovalent dotiertem Ba122. Die Übereinstimmung in den strukturellen Daten der Dünnschichten und von isovalent dotierten Einkristallen zeigt, dass die auf Eisen basierenden Supraleiter eine starke Abhängigkeit von den strukturellen Parametern besitzen und strukturelle Veränderungen großen Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften haben. Unterhalb von 15 K wird anhand von Transportmessungen und Messungen in einem SQUID-MS nachgewiesen, dass Massivsupraleitung vorliegt. Messbare kritische Stromdichten bestätigen das Vorliegen einer solchen Phase in der gesamten Probe. Die Untersuchung der Flusslinienverankerungseigenschaften der Phase unterhalb von 15 K belegt, dass in sehr dünnen Schichten von d <= 10 nm die magnetische Flusslinienverankerung existiert. Eine Vergrößerung der Schichtdicke führt zur Bildung von Defekten durch die Gitterfehlpassung zwischen Eisen- und Ba122-Schicht. Die Bildung dieser Defekte wird durch In-situ-Untersuchungen mittels Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion und Ex-situ-Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Atomkraftmikroskopie und Röntgendiffraktometrie nachgewiesen. Ab einer Dicke von ca. 30 nm fängt die Schicht an zu relaxieren. Eine Massivsupraleitungsphase kann in diesem Fall nicht mehr beobachtet werden. Eine weitere Vergrößerung der Dicke bis ca. 80 nm führt erneut zu nicht-supraleitenden Massivmaterialeigenschaften. Ein magnetischer Übergang wird bei ca. 140 K gemessen, wobei die Gitterparameter Massivmaterialeigenschaften aufweisen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Auf Eisen basierende Supraleiter 2.2 Das BaFe2As2-System 2.3 Wachstum dünner Schichten 3 Präparations- und Analysemethoden 3.1 Gepulste Laserdeposition 3.2 Strukturelle Charakterisierung 3.2.1 Röntgendiffraktometrie 3.2.2 Weitere Methoden 3.3 Methoden zur Charakterisierung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften 4 Referenzschichten 4.1 BaFe2As2-Dünnschicht ohne Eisenpufferschicht 4.2 Epitaktische Eisenschicht 4.2.1 Strukturelle Eigenschaften 4.2.2 Magnetische Eigenschaften 5 Spannungseffekte in Fe/BaFe2As2-Bilagen 5.1 Präparation 5.2 Strukturbestimmung 5.2.1 Röntgendiffraktometrie 5.2.2 Transmissionselektronenmikroskopie 5.2.3 Oberflächenbeschaffenheit 5.3 Elektrische Transportmessungen 5.3.1 Oberes kritisches Feld 5.4 Kritische Ströme und Pinningkraftdichten 5.4.1 Kritische Stromdichte und Pinningverhalten von Probe S10 5.4.2 Kritische Stromdichte und Pinningverhalten von Probe S30 5.4.3 Zusammenfassung 5.5 Magnetische Charakterisierung 5.6 Phasendiagramm 6 Abschließende Diskussion und Zusammenfassung Literaturverzeichnis Eigene Veröffentlichungen Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

We present a mean field model for a mixture of AB diblock-copolymers and A-block selective nanoparticles confined between two identical non-selective walls. A horizontally symmetric lamellar structure of the nanocomposite is considered where nanoparticles are allowed to segregate between the polymer–wall interfaces. For a fixed value of wall separation, we study changes in the free energy as a function of the number of lamellar layers and the amount of nanoparticle uptake in the A-phase denoted by y = ϕx with 0 ≤ x ≤ 1 for a given value of ϕ, where ϕ is the overall nanoparticle volume fraction. The absorption isotherm for nanoparticle uptake in the A-phase as a function of ϕ shows saturation beyond a threshold value ϕs, and the optimal value of uptake y increases with increasing strength of monomer–nanoparticle attractive interaction. Increasing ϕ above ϕs produces a decrease in the optimal number of lamellar layers which is related to a jump-like transition of the chain extension. The effect of varying film thickness is also studied. By considering A-block selective walls we also investigated a wetting transition of the copolymer film and found the transition to be discontinuous. A corresponding phase diagram is constructed. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Neue nanoporöse Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten werden in der Mikroelektronik dringend benötigt. Eine Methode, die Dielektrizitätskonstante eines gegebenen Materials weiter zu reduzieren, ist die Einführung von geschlossenen und luftgefüllten Poren im Nanometerbereich. Die Porosität wird durch die Verwendung eines Zweikomponentensystems bestehend aus einer stabilen Matrix und einem labilen Porenbildner eingeführt; aus diesen wird ein Blend hergestellt, und durch anschließende Zersetzung des Porenbildners entsteht ein poröses Matrixpolymer mit stabilen Aushöhlungen. Im Vordergrund dieser Arbeit stand die Synthese und Charakterisierung hochverzweigter Polyphenylene über die Diels-Alder-Reaktion von phenylierten Cyclopentadienonen mit phenylierten Alkinen zur Verwendung als Matrixmaterialien in nanoporösen Isolatorsystemen. Dabei wurde sowohl von A2- und B3-Monomeren als auch von AB2- und AB-Monomeren ausgegangen. Die hochverzweigten Polyphenylene sind vielversprechende Materialien mit hervorragenden isolierenden und chemischen Eigenschaften wie hohen thermischen Stabilitäten und guten Löslichkeiten in organischen Lösungsmitteln, was eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der Polymere in der Mikroelektronik darstellt. Die verschiedenen Syntheseansätze erlauben dabei eine Kontrolle über die Endgruppen und die Verzweigung. Daneben wurden thermolabile hochverzweigte Polycarbonate und Polytriazenester als Porenbildner synthetisiert und mit Silylether-Endgruppen modifiziert, wobei mit der tert-Butyldiphenylsilyl-Gruppe die besten Ergebnisse bezüglich der Mischbarkeit mit der Polyphenylenmatrix erhalten wurden. Außerdem wurden Blends in Form von dünnen Schichten aus den hochverzweigten Polyphenylenen mit den Porenbildnern im Hinblick auf die potentielle Anwendung der Materialien als nanoporöse Isolatoren charakterisiert.

Ferroelectric HfO₂ attracts a huge amount of attention not only for memory and negative capacitance, but also for programmable logic including memory-in-logic and neuromorphic applications. However, the understanding of material fundamentals still needs to be improved. This paper gives material fundamentals and new insights to this ferroelectric material for future device applications. In particular, the key role of dopants, effects of the interface on the ferroelectric phase, and a detailed discussion of the switching kinetics are of central focus. Based on material properties newly obtained, we discuss opportunities of ferroelectric HfO₂ for device applications.

We report the fabrication of Ni2.7Mn0.9Ga0.4/InGaAs bilayers on GaAs (001)/InGaAs substrates by molecular beam epitaxy. To form freestanding microtubes the bilayers have been released from the substrate by strain engineering. Microtubes with up to three windings have been successfully realized by tailoring the size and strain of the bilayer. The structure and magnetic properties of both, the initial films and the rolled-up microtubes, are investigated by electron microscopy, X-ray techniques and magnetization measurements. A tetragonal lattice with c/a = 2.03 (film) and c/a = 2.01 (tube) is identified for the Ni2.7Mn0.9Ga0.4 alloy. Furthermore, a significant influence of the cylindrical geometry and strain relaxation induced by roll-up on the magnetic properties of the tube is found. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The Pulsed Laser Deposition is an established method for the preparation of thin films and nm layer systems. In this work a cross beam PLD system is used as a special development for reduction of macro particle contamination in the growing layer. Two plasma plumes which overlap under a defined angle are produced on separated targets by two synchronized lasers. In the overlapping zone the direction of plasma expansion is changed by interaction of plasma particles. A diaphragm is used to guaranty that only the part of the plasma is deposited on the substrate that has changed the direction of expansion in the interaction zone. Detailed characterizations of plasma properties, deposition and growth conditions were carried out to demonstrate that cross beam PLD is an effective method to reduce macro particle contamination and allows layer growth under reduced energetic loading of the substrate. In the second part of this work cross beam PLD is used to produce Ni/C multilayers and artificial mixtures. The interest is focused on the mechanisms of layer disintegration and structure formation under thermal loading. Possible processes for layer disintegration are discussed on a theoretical background and verified in TEM examinations. / Die Pulsed Laser Deposition ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung dünner Schichten im nm-Bereich. Das in dieser Arbeit verwandte PLD-Zweistrahlverfahren ist eine besondere Entwicklung zur Verringerung der Makropartikelkontamination der Schichten. Zwei synchronisierte Laser erzeugen auf zwei benachbarten Targets zwei Plasmafackeln, die unter einem bestimmten Winkel überlappen, was zu einer Änderung der Ausbreitungsrichtung des Palmas führt. Ein spezielle Blendenanordnung garantiert, dass nur der abgelenkte Teil des Plasmas auf dem Substrat abgeschieden wird, welches für die anfänglichen Plasmafackeln im Schatten liegt. Anhand einer umfangreichen Charakterisierung der Plasma-, Abscheide- und Schichtwachstumseigenschaften wird gezeigt, dass das PLD-Zweistrahlverfahren eine effektive Verminderung der Makropartikelkontamination der Schichten ermöglicht und dass das Schichtwachstum unter deutlich verringertem Energieeintrag im Vergleich zur konventionellen PLD erfolgt. Das Verfahren wird im zweiten Teil der Arbeit angewandt um Ni/C-Multischichten und künstliche Mischungen herzustellen. Das Interesse liegt hierbei auf den Mechanismen des Schichtzerfalls und auf den entstehenden Strukturen bei thermischer Behandlung metastabiler Schichtsysteme. Anhand theoretischer Betrachtungen werden die möglichen Prozess des Schichtzerfalls eingegrenzt und mittels TEM-Untersuchungen verifiziert.

Transient negative capacitance effects in epitaxial ferroelectric Pb(Zr₀.₂Ti₀.₈)O₃ capacitors are investigated with a focus on the dynamical switching behavior governed by domain nucleation and growth. Voltage pulses are applied to a series connection of the ferroelectric capacitor and a resistor to directly measure the ferroelectric negative capacitance during switching. A time-dependent Ginzburg-Landau approach is used to investigate the underlying domain dynamics. The transient negative capacitance is shown to originate from reverse domain nucleation and unrestricted domain growth. However, with the onset of domain coalescence, the capacitance becomes positive again. The persistence of the negative capacitance state is therefore limited by the speed of domain wall motion. By changing the applied electric field, capacitor area or external resistance, this domain wall velocity can be varied predictably over several orders of magnitude. Additionally, detailed insights into the intrinsic material properties of the ferroelectric are obtainable through these measurements. A new method for reliable extraction of the average negative capacitance of the ferroelectric is presented. Furthermore, a simple analytical model is developed, which accurately describes the negative capacitance transient time as a function of the material properties and the experimental boundary conditions.