Thin films and nanowires of Co-Pt have been prepared by means of electrodeposition. Composition, structure, microstructure and magnetic properties have been intensively studied using X-ray diffraction, scanning electron microscopy and vibrating sample magnetometry and correlated to the deposition parameters such as electrolyte composition, deposition current and/or potential. Co rich Co-Pt films have been deposited at various current densities. A nearly constant composition of Co70Pt30 was achieved for current densities between 18 and 32 mA/cm². Detailed texture measurements confirmed an increasing fraction of the hexagonal phase with its c-axis aligned perpendicular to the film plane with increasing current density. Accordingly, magnetic properties are strongly affected by the magnetocrystalline anisotropy of the hexagonal phase that competes with the shape anisotropy of the thin film geometry. Co-Pt nanowires have been prepared within alumina templates at different deposition potentials between -0.6 and -0.9VSCE changing the composition from nearly pure Pt to Co. The composition Co80Pt20 was observed at a deposition potential of -0.7VSCE. Co-Pt nanowires are nanocrystalline in the as-deposited state. Magnetic measurements reveal changing fcc and hcp phase fractions within the wires as the effective anisotropy significantly differs from the expected shape anisotropy for nanowires with high aspect ratio. This change in effective anisotropy is attributed to the preferential alignment of the c-axis of hcp Co-Pt phase perpendicular to the nanowires axis. A promising alternative with much smaller feature sizes is the diblock copolymer template. Electrodeposition of Co and Co-Pt into these templates has been carried out. Inhomogeneities in the template thickness as well as a certain substrate roughness have been identified to be the reasons for inhomogeneous template filling. Thus magnetic properties are dominated by large deposits found on top of the template. Additionally, rolled-up tubes of several nm thick Au/Co/Au films have been characterized magnetically. Temperature dependent measurements show an exchange bias behaviour that is explained in terms of induced stresses during cooling. Changes of magnetic properties in the investigated samples are finally discussed in terms of competing effects of different magnetic anisotropies in various geometries. / Co-Pt Dünnschichten und Nanodrähte wurden mittels elektrochemischer Abscheidung hergestellt. Zusammensetzung, Struktur, Mikrostruktur und magnetische Eigenschaften wurden intensiv mit Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie und Magnetometrie untersucht und mit den Depositionsparametern wie Elektrolytzusammensetzung, Abscheidestrom und/oder-potential korreliert. Co reiche Co-Pt-Filme wurden mit verschiedenen Stromdichten hergestellt. Eine nahezu konstante Zusammensetzung im Bereich Co70Pt30 wurde für Stromdichten zwischen 18 und 32 mA/cm² erreicht. Detaillierte Texturmessungen bestätigen einen zunehmenden Anteil an hexagonaler Phase mit senkrecht zur Filmebene ausgerichteter c-Achse mit zunehmender Stromdichte. Dementsprechend werden die magnetischen Eigenschaften stark von der magnetokristallinen Anisotropie der hexagonalen Phase beeinflusst, die mit der Formanisotropie der Dünnschicht-Geometrie konkurriert. Co-Pt-Nanodrähte wurden in nanoporöse Aluminiumoxidmembranen bei verschiedenen Potentialen zwischen -0,6 und -0.9 VSCE abgeschieden, wobei sich die Zusammensetzung von nahezu reinem Pt zu Co verändert. Die Zusammensetzung Co80Pt20 wurde bei einem Abscheidepotential von -0.7 VSCE erhalten. Die so hergestellten Co-Pt Nanodrähte sind nanokistallin. Magnetische Messungen weisen jedoch auf veränderte Phasenanteile der fcc und hcp Phase innerhalb der Drähte hin, da die effektive Anisotropie erheblich von der für Nanodrähte mit hohem Aspektverhältnis erwarteten Formanisotropie abweicht. Diese Änderung der effektiven Anisotropie ist auf die bevorzugte Ausrichtung der hexagonalen c-Achse des Co-Pt senkrecht zur Drahtachse zurückzuführen. Vielversprechende Template mit deutlich kleineren Dimensionen sind Diblockcopolymertemplate. Es wurden Versuche zur Abscheidung von Co und Co-Pt in diese Template durchgeführt. Als Gründe für die inhomogene Templatfüllung wurden Inhomogenitäten in der Schichtdicke sowie eine gewisse Rauhigkeit der Substrate identifiziert. Aufgrund der ungleichmäßigen Fülleg werden die magnetischen Eigenschaften durch große, halbkugelförmige Abscheidunge auf der Oberfläche des Templates bestimmt. Darüber hinaus wurden aus wenige nm dicken Au/Co/Au Filmen hergestellte Mikroröhren magnetisch charakterisiert. Temperaturabhängige Messungen zeigen ein Exchange Bias Verhalten, das durch beim Abkühlen induzierte Spannungen erklärt wird. Unterschiede im magnetischen Verhalten der untersuchten Proben werden abschließend im Hinblick auf die verschiedenen konkurrierenden magnetischen Anisotropien in verschiedenen Geometrien diskutiert.

Die grundlegenden Aspekte chemischer Reaktionen auf Oberflächen können anhand von geeigneten Modelsystemen unter Vakuumbedingungen untersucht werden. Siliciumdioxid (SiO2) als wichtiges Material für hochmoderne Technologieanwendungen in der Mikroelektronik, Photonik und Katalyse, war Gegenstand zahlreicher Studien, um die Beziehungen zwischen der atomaren Struktur und funktionalen Eigenschaften von Silizium-basierten Materialien zu erklären. Diese Arbeit untersucht die Wechselwirkung von Gasen mit epitaktisch gewachsenen Silikat-Dünnschichten auf einem Ru(0001) Einkristall. Unter Verwendung von Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRAS) und temperaturprogrammierter Desorptionspektroskopie (TPD) konnten die Hydroxy-Spezies auf reinen Silikatfilmen als isolierte Silanole (Si-OH) identifiziert werden. Isotopenexperimente haben gezeigt, dass sich thermisch stabile Oberflächenhydroxylate hauptsächlich aus der Adsorption von Wassermolekülen bilden. Ein Austausch der Silanole mit Sauerstoffatomen im Kristallgitter während des Dehydroxylierungsprozesses wurde nicht beobachtet. Durch die Adsorption von Gasen wie CO, H2 und O2 bei erhöhtem Druck, lässt sich auf komplexere Prozesse schließen. Dies beinhaltet Gastransport durch Poren im Film, was mit strukturellen Defekten in dem Silikatfilm verbunden ist, sowie nachfolgende Adsorption und Diffusion auf dem unterliegenden Ru(0001)-Substrat. Während der Einlagerung der Moleküle in die Silikatschicht bleibt der Oxidfilm auch unter hohem Druck (~ 10 mbar) sowie hoher Temperatur (~900 K) intakt. Solch ein Hybridsystem, welches eine robuste Siliciumdioxidmembran mit einem sich darunter befindlichen, chemisch aktiven Metall kombiniert, könnte ein interessantes Materialsystem für technische Anwendungen darstellen, insbesondere zur Herstellung von Katalysatoren und Sensoren sowie für Korrosionsanwendungen. / The fundamental aspects of the chemical reactions at surfaces can be elucidated by using well-defined model systems under the controlled conditions provided by vacuum-based techniques. Silicon dioxide (SiO2) as one of the crucial materials in modern technological applications, including microelectronics, photonics, and catalysis, has been subjected to numerous studies in order to rationalize relationships between the atomic structure and functional properties of silica-based materials. This work marks the attempt to understand interaction of ambient gases with a well-ordered, ultrathin silicate film grown on a Ru(0001) substrate. Using infrared reflection absorption spectroscopy (IRAS) and temperature programmed desorption (TPD), hydroxo species, primarily in the form of isolated silanols (Si-OH), were identified on pristine silicate films. Isotopic experiments demonstrated that surface hydroxyls form primarily from the water molecules. Silanols do not undergo scrambling with the lattice oxygen atoms upon dehydroxylation. Steps on a silicate sheet and/or “holes” in these ultrathin films are proposed as active sites for hydroxylation. Adsorption of gases such as CO, H2 and O2 at elevated pressures revealed a more complex behavior. It involves gas transport through the pores, associated with structural defects in the silicate film, subsequent adsorption, and diffusion across the Ru(0001) surface underneath. During this intercalation, the silicate film stays intact even under high pressure (~10 mbar) and high temperature conditions (~900 K). The silicate layer does however strongly passivate the Ru surface towards RuO2(110) formation that readily occurs on bare Ru(0001) under the same conditions. Such a hybrid system, which combines a robust silica “membrane” and a chemically active metal underneath, could become an interesting material for technological applications, in particular in catalysis, sensors and anti-corrosion applications.

I present a new approach to stable n-type doping of organic matrices using organic dopants. In order to circumvent stability limitations of strong organic donors, I produce the donor from a stable precursor compound in situ. As an example, the cationic dye pyronin B chloride is studied as a dopant in an 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic dianhydride (NTCDA) matrix. A field effect and conductivity study of a series of doped NTCDA samples is carried out. It proves the increase of the electron density with the doping concentration. Conductivities up to 1.9*10^-4 S/cm are obtained for doped NTCDA, which is two orders of magnitude higher than the conductivity of NTCDA doped with (bis(ethylenedithio)-tetrathiafulvalene (BEDT- TTF) as investigated previously [A. Nollau, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, J. Appl. Phys. 87, 4340 (2000)], and four orders of magnitude higher than nominally undoped NTCDA films. The experimental trends in the field effect study are interpreted in terms of transport in disordered solids. Detailed mass spectroscopic investigation are carried out to investigate the sublimation behaviour of the organic salt pyronin B chloride. We conclude that mainly HCl and the leuco base of pyronin B is present in the gas phase. Optical absorption spectroscopy shows that the leuco base is transformed to the pyronin B cation in air. A similar reaction is observed for mixed thin films of pyronin B and tetracyano quinodimethane. This supports the image of the doping process being due to an electron transfer from the pyronin to the matrix molecules. The formation of the leuco base and subsequent oxidation to the pyronin B cation is supported by Fourier transform infrared (FTIR) absorption spectroscopy. Doping experiments with other matrices reveal that the doping effect is universal for all materials of moderate acceptor strength. Matrices such as perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dimethyl diimide (Me-PTCDI) and fullerene C60 can be successfully doped. These compounds are frequently employed electron transport materials in organic solar cells. Therefore, such devices can be improved by this new doping approach. / In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur n-Dotierung organischer Dünnschichten mit organischen Dotanden vorgestellt. Die bisher zur n-Dotierung benötigten starken Donormoleküle zeigen eine hohe Reaktivität. Dies erschwert die Synthese und weiterhin die Verwendung solcher Verbindungen als Dotanden. Zur Vermeidung dieser Stabilitätsprobleme wird in dieser Arbeit der reaktive Dotand in situ aus einer stabilen Vorläüuferverbindung erzeugt. Beispielhaft wird der kationische Farbstoff Pyronin B Chlorid als Dotand in einer 1,4,5,8-Naphthalen Tetracarbonsäure Dianhydrid (NTCDA)-Matrix untersucht. Feldeffekt- und Leitfähigkeitsuntersuchungen an einer Serie von dotierten Dünnschichten werden durchgeführt. Eine Erhöhung der Elektronendichte mit der Dotierkonzentration wird gefunden. Dies führt zu Leitfähigkeiten von bis zu 1.9*10^-4 S/cm, d.h. vier Größenordnungen höher als undotiertes NTCDA und zwei Größenordnungen höher als das früher untersuchte NTCDA, dotiert mit Bis(Ethylendithio)-Tetrathiafulvalen (BEDT- TTF) [A. Nollau, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, J. Appl. Phys. 87, 4340 (2000)]. Die Abhängigkeiten der elektrischen Kenngrößen Leitfähigkeit, Beweglichkeit und Ladungsträgerdichte werden anhand eine Modells erklärt, das den Transport in ungeordneten Systemen beschreibt. Massenspektrometrische Untersuchungen werden zur Untersuchung des Verdampfungsverhaltens des organischen Salzes Pyronin B Chlorid eingesetzt. Es wird gefunden, daß Pyronin B Chlorid durch Bildung von HCl und der Leukobase des Pyronins in die Gassphase übergeht. In der optische Absorptionsspektroskopie ist die Transformation der Leukobase unter Lufteinfluß in das Pyronin B-Kation zu beobachten. Das gleiche Verhalten wird für Mischschichten aus Pyronin B und Tetracyano Chinodimethan gefunden. Dies bestätigt die Vorstellung des Dotierprozesses als Elektronentransfer vom Pyronin B zum Matrixmolekül. Die Bildung der Leukobase und die anschlie\ss ende Oxidierung zum Pyronin B-Kation ist auch in der Infrarotspektroskopie sichtbar. Der Dotiereffekt ist nicht auf NTCDA beschränkt, sondern wird auch für andere Matrizen mit genügend hoher Elektronenaffinität gefunden. Matrixmaterialien wie z.B. Perylen-3,4,9,10-Tetracarbonsäure Dimethyldiimid (Me-PTCDI) und Fulleren C60 werden erfolgreich dotiert. Sie werden üblicherweise in organischen Solarzellen eingesetzt. Durch den hier demonstrierten Ansatz können folglich solche Bauelemente verbessert werden.

The goal of this thesis is to study the microstrucutre and texture of Yttrium-Nickel- Borocarbide and Samarium-Cobalt thin film heterostructures prepared by Pulsed Laser Deposition and to establish structure-property relations for these materials in order to improve their properties and design new structures. Coincidence site lattice epitaxy was explored in most of these heterostructures (substrate, buffer and film) and studied in detail for each case. Epitaxial thin films of the superconducting borocarbide compound YNi2B2C were grown on single crystal MgO (100) substrates without and with Y2O3 buffer layer using pulsed laser deposition (PLD). In both cases YNi2B2C grows with [001] normal to the substrate. However, the in-plane texture depends on the starting condition. For samples without buffer layer, oxygen from the substrate diffuses into the film and forms an Y2O3 reaction layer at the interface. As a consequence, a deficiency of Y is generated giving rise to the formation of secondary phases. On the other hand, using an artificial Y2O3 buffer layer secondary phases are suppressed. The texture of the Y2O3 layers determines the texture of the YNi2B2C film. The superconducting properties of the borocarbide films are discussed with respect to texture and phase purity. To prevent the formation of an impurity phase at the interface, it was the aim of this preliminary investigation to study YNi2B2C films deposited onto single crystal MgO (100) substrates with an Ir buffer layer. The Ir buffer layer shows a strong cube-on-cube texture onto MgO(100) and also prevents the formation of an Y2O3 interlayer. However, during deposition of YNi2B2C the buffer layer disappears by Ir diffusion into the borocarbide film. The YNi2B2C film exhibits a c-axis texture consisting of four components. As a consequence of these effects, the superconducting transition Tc90 equals up to 13K, but with a transition width of 4K. In the second part of this work, hard magnetic Sm-Co/Cr films were epitaxially grown on MgO(100) and (110) substrates. They were characterized by X-ray pole figure measurements and transmission electron microscopy. For films deposited on MgO(100) at 700ºC, orientations are found with the c-axis aligned in-plane and out-of-plane. By lowering the deposition temperature to 370ºC, the out-of-plane orientations disappeared. Further lowering to 350ºC leads to the formation of amorphous regions in the SmCo5 film. For films grown on MgO(110) the Cr buffer deposition temperature plays an important role. When deposited at 700°C Cr(211) and (100) growth is observed leading to two different types of SmCo5 in-plane orientations. By lowering the Cr-buffer deposition temperature to 300ºC only one buffer and one SmCo5 orientation exists: Cr(-211)[0-11] and SmCo5(10-10)[0001]. The exact orientation relationships between substrate, buffer and films are explained and their correlation with magnetic properties are discussed.

In the past decades, the miniaturization in optics led to new devices with structural sizes in the range of the light wavelength, where the photonic modes are con- fined and the number of states is limited. In the smallest microcavities, i.e. micrometer sized optical resonators, the propagation of only one mode is permitted that is simultaneously amplified internally. This particularly strong enhancement of the electric field is directly related to the quality factor of the cavity. By introducing an optical dipole into a high-Q microcavity, the spontaneous emission is amplified at the cavity mode frequency enabling stimulated emission in an inverted system. Although some of theses cavity e®ects can only be understood by quantum elec- trodynamic theory, most mechanisms are accessible by classical and semi-classical approaches. In this thesis, one-dimensional planar microcavities with quality factors up to 4500 have been fabricated by physical vapor deposition of dielectric thin films and organic active materials. A new cavity design based on anisotropic dielectric mirrors grown by oblique angle deposition microcavities with two energetically shifted orthogonally polarized modes is presented. The application of these anisotropic structures for terahertz di®erence signal generation is demonstrated in spectrally and time resolved transmission experiments, where optical beats with repetition rates in the terahertz range are observed. Optically pumped organic vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have been realized by applying an organic solid state laser compound and high reflectance distributed Bragg reflectors. These lasers combine a very low laser threshold with small beam divergence and good stability. A transfer of the anisotropic design towards an organic VCSEL results in the generation of two perpendicularly polarized laser modes with a splitting adjustable by the fabrication conditions. The observation of an oscillation of two laser modes in a photomixing experiment proves a phase coupling mechanism. This demonstrates the potential of the anisotropic cavity design for a passive or active component in a terahertz radiation source or frequency generator. Furthermore, microcavities with two and three coupled resonators are investigated. By the application of time-resolved transmission experiments, spatial oscil- lations of the internal electric field - photonic Bloch oscillations - are successfully demonstrated. In combination with the anisotropic microcavities, this is a second concept for the modulation of transmitted light with terahertz frequencies. All experiments are accompanied by numerical or analytical models. Transmission experiments of continuously incident light and single laser pulses are compared with transfer matrix simulations and Fourier transform based approaches. For the modeling of emission experiments, a plane wave expansion method is successfully used. For the analysis of the organic VCSEL dynamics, we apply a set of rate equations that explains the gain switching process.

Eine Methode zur Variation der interatomaren Abstände eröffnet die epitaktische Abscheidung dünner Schichten. Dabei führt die Wahl eines geeigneten Substrates zu Spannungen in der Schichtebene. Im Gegensatz zu hydrostatischen Druckexperimenten an Massivproben ist die dadurch erzeugte biaxiale Verspannung des Kristallgitters von der Art der Probenherstellung abhängig und kann anschließend nicht mehr variiert werden. Werden für verschiedene Verspannungszustände das Substrat und die Präparationsparameter angepasst, beeinflusst dies gleichzeitig das Schichtwachstum. Aus den daraus resultierenden Schichteigenschaften lässt sich der Einfluss der Gitterdeformation nur schwer separieren, was die Vergleichbarkeit von verschiedenen Verspannungszuständen stark einschränkt. Aus diesem Grund konzentrieren sich bisherige Untersuchungen zur Dehnungsempfindlichkeit von supraleitenden Dünnschichten zumeist auf die phänomenologische Beschreibung der Ergebnisse, da sie nur schwer mit der Verspannung in Korrelation zu setzen sind. Da dieses Problem mit herkömmlichen Verfahren nicht zu lösen ist, werden in dieser Arbeit neue Verspannungstechniken auf supraleitende Dünnschichten angewendet und im Besonderen mit dem Fokus auf Fe-basierte Supraleiter untersucht. Zum einen kommen dazu piezoelektrische Substrate zum Einsatz, die eine biaxiale Verspannung der darauf abgeschiedenen Dünnschicht ermöglichen, indem die Gitterparameter des Substrates durch ein elektrisches Feld verändert werden. Zum anderen wird auf Grundlage flexibler Substrate mittels eines Biegeversuchs eine uniaxiale Gitterdeformation von Dünnschichten realisiert. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit die Anwendung der dynamischen Verspannung auf supraleitende Schichten für zwei wichtige Materialklassen demonstriert: die Kupferoxid-basierten Supraleiter und die Eisen-basierten Supraleiter. In beiden Fällen konnte ein epitaktisches Wachstum durch gezielte Anpassung der Pufferarchitektur erreicht werden. Im Fall der piezoelektrischen Substrate wurde der vollständige Übertrag der Verspannung in die Schicht nachgewiesen und die Temperaturabhängigkeit der induzierten Dehnung über verschiedene Verfahren ermittelt. Auf dieser Grundlage konnte die Dehnungsempfindlichkeit der supraleitenden Übergangstemperatur, die bisher nur durch statisch verspannte Schichten zugänglich war, näher untersucht werden. Zusätzlich erlaubte der Ansatz die Analyse der Vortexdynamik sowie des oberen kritischen Feldes. Es konnte materialübergreifend gezeigt werden, dass sich die Dehnungsempfindlichkeit der charakteristischen Übergangsfelder einheitlich beschreiben und sich dabei der Vortex-Glas-Flüssigkeits Übergang mit der Aktivierungsenergie korrelieren lässt.

In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.

Magnetische Formgedächtnislegierungen sind Festkörper, die eine Phasenumwandlung erster Ordnung von einer hochsymmetrischen Phase (Austenit) zu einer niedersymmetrischen Phase (Martensit) durchlaufen. Dies kann in der Nähe von Raumtemperatur stattfinden und sowohl durch Temperaturänderung, als auch durch äußere Magnetfelder, mechanische Spannungen oder hydrostatischen Druck induziert werden. Daraus ergeben sich funktionale Eigenschaften, wie der magnetokalorische und der elastokalorische Effekt, eine magnetfeldinduzierte Dehnung und ein großer Magnetowiderstand. Zwillingsgrenzen im Martensit können durch äußere Magnetfelder bewegt werden, was zu großen reversiblen Längenänderungen führt. Der Ablauf der Phasenumwandlung und das Gefüge des Martensits werden dabei durch die elastischen Randbedingungen an der Phasengrenze bestimmt. In dieser Arbeit werden deshalb die Nukleation und das Wachstum des Martensits untersucht. Als Modellsystem werden epitaktische Schichten der Heuslerlegierung Ni-Mn-Ga verwendet. In der martensitischen Phase weist diese Legierung eine modulierte Kristallstruktur auf, die im Konzept des adaptiven Martensits durch eine Verzwillingung auf der atomaren Skala interpretiert werden kann. Im ersten Teil wird mit Röntgenbeugung die modulierte Struktur untersucht. Die Intensität der Überstrukturreflexe wird mit einer kinematischen Beugungssimulation verglichen. Dabei wird nachgewiesen, dass es sich um ein nanoverzwillingtes Gefüge mit einer hohen Dichte an Stapelfehlern handelt. Im zweiten Teil wird das martensitische Gefüge mit Elektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop und Texturmessungen durch Röntgenbeugung untersucht. Das martensitische Gefüge kann im Rahmen der phänomenologischen Martensittheorie quantitativ erklärt werden. Daraus ergibt sich ein geometrisches Modell des martensitischen Nukleus und seiner Wachstumsstadien. Die Phasenumwandlung wird temperaturabhängig im Elektronen- und im Atomkraftmikroskop untersucht und mit dem geometrischen Modell verglichen. Die begrenzte Gültigkeit des geometrischen Modells an makroskopischen Zwillingsgrenzen und an der Grenzfläche zum Schichtsubstrat werden diskutiert. Schließlich kann die Bildung des gesamten hierarchischen Zwillingsgefüges erklärt werden. Im dritten Teil wird die Energiebarriere der Nukleation untersucht. Da die Umwandlung bei konstanter Temperatur abläuft, wird geschlussfolgert, dass Autonukleationsprozesse zu einer starken Verringerung der Nukleationsbarrieren führen. Schließlich wird gezeigt, dass durch Nanoindentation die Nukleation gezielt beeinflusst werden kann. / Magnetic shape memory alloys are solids that undergo a first order phase transition from a high symmetry phase (austenite) into a low symmetry phase (martensite). This can happen close to room temperature and can be induced by changes of temperature, external magnetic fields, mechanical stresses or hydrostatic pressure. This leads to functional properties like the magnetocaloric and elastocaloric effect, a magnetic-field-induced strain and giant magnetoresistance. Twin boundaries in the martensite can be moved by external magnetic fields, which leads to giant reversible length changes. The process of the phase transition and the microstructure of martensite are determined by the elastic boundary conditions at the phase interface. In this work, nucleation and growth of the martensite are studied. Epitaxial films of the Heusler alloy Ni-Mn-Ga are used as a model system. This alloy exhibits a modulated crystal structure which is interpreted as twinning on the atomic scale in the framework of adaptive martensite. In the first part, the modulated structure is studied by X-ray diffraction. The intensity of the superstructure is compared to a kinematic diffraction simulation and it is shown that it is a nanotwinned microstructure with a high density of stacking faults. In the seond part, the martensitic microstructure is studied by electron diffraction in the scanning electron microscope and by texture measurements using X-ray diffraction. The martensitic microstructure can be explained quantitatively in the framework of the phenomenological theory of martensite. This leads to a geometrical model of the martensitic nucleus and its growth stages. The phase transformation is studied as a function of temperature in the scanning electron microscope and atomic force microscope and is compared to the geometric model. The limits of the geometrical model at macroscopic twin boundaries and at interfaces to the substrate are discussed. Finally, the formation of the entire twin microstructure can be explained. In the third part, the energy barrier of nucleation is studied. The transformation is isothermal which leads to the conclusion that autonucleation processes decrease the nucleation barrier significantly. Finally, the influence of nanoindentation on the nucleation is shown.

Eine Methode zur Variation der interatomaren Abstände eröffnet die epitaktische Abscheidung dünner Schichten. Dabei führt die Wahl eines geeigneten Substrates zu Spannungen in der Schichtebene. Im Gegensatz zu hydrostatischen Druckexperimenten an Massivproben ist die dadurch erzeugte biaxiale Verspannung des Kristallgitters von der Art der Probenherstellung abhängig und kann anschließend nicht mehr variiert werden. Werden für verschiedene Verspannungszustände das Substrat und die Präparationsparameter angepasst, beeinflusst dies gleichzeitig das Schichtwachstum. Aus den daraus resultierenden Schichteigenschaften lässt sich der Einfluss der Gitterdeformation nur schwer separieren, was die Vergleichbarkeit von verschiedenen Verspannungszuständen stark einschränkt. Aus diesem Grund konzentrieren sich bisherige Untersuchungen zur Dehnungsempfindlichkeit von supraleitenden Dünnschichten zumeist auf die phänomenologische Beschreibung der Ergebnisse, da sie nur schwer mit der Verspannung in Korrelation zu setzen sind. Da dieses Problem mit herkömmlichen Verfahren nicht zu lösen ist, werden in dieser Arbeit neue Verspannungstechniken auf supraleitende Dünnschichten angewendet und im Besonderen mit dem Fokus auf Fe-basierte Supraleiter untersucht. Zum einen kommen dazu piezoelektrische Substrate zum Einsatz, die eine biaxiale Verspannung der darauf abgeschiedenen Dünnschicht ermöglichen, indem die Gitterparameter des Substrates durch ein elektrisches Feld verändert werden. Zum anderen wird auf Grundlage flexibler Substrate mittels eines Biegeversuchs eine uniaxiale Gitterdeformation von Dünnschichten realisiert. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit die Anwendung der dynamischen Verspannung auf supraleitende Schichten für zwei wichtige Materialklassen demonstriert: die Kupferoxid-basierten Supraleiter und die Eisen-basierten Supraleiter. In beiden Fällen konnte ein epitaktisches Wachstum durch gezielte Anpassung der Pufferarchitektur erreicht werden. Im Fall der piezoelektrischen Substrate wurde der vollständige Übertrag der Verspannung in die Schicht nachgewiesen und die Temperaturabhängigkeit der induzierten Dehnung über verschiedene Verfahren ermittelt. Auf dieser Grundlage konnte die Dehnungsempfindlichkeit der supraleitenden Übergangstemperatur, die bisher nur durch statisch verspannte Schichten zugänglich war, näher untersucht werden. Zusätzlich erlaubte der Ansatz die Analyse der Vortexdynamik sowie des oberen kritischen Feldes. Es konnte materialübergreifend gezeigt werden, dass sich die Dehnungsempfindlichkeit der charakteristischen Übergangsfelder einheitlich beschreiben und sich dabei der Vortex-Glas-Flüssigkeits Übergang mit der Aktivierungsenergie korrelieren lässt.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Wachstum dünner Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Methoden der Gitterverspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Dynamische Gitterverspannung von Dünnschichten . . . . . . . . . . . 13 2.4.1 Piezoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 Ferroelektrische Keramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.3 PMN-28%PT als Dünnschicht Substrat . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.4 Verknüpfung von epitaktischer Verspannung und Druck . . . . . 19 3 Experimentelles 21 3.1 Gepulste Laserdeposition - PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1 Hochenergetische Elektronenbeugung (RHEED) . . . . . . . . . 23 3.2.2 Atomkraftmikroskopie (AFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.4 Elektrische Transportmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 (La,Sr)2CuO4 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.1 Eigenschaften von (La,Sr)2CuO4 Dünnschichten . . . . . . . . . 33 3.3.2 Epitaktisches Wachstum auf Einkristallen . . . . . . . . . . . . 35 3.3.3 LSCO Dünnschichten auf PMN-PT . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Ba(Fe,Co)2As2 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4.1 Eigenschaften von Ba(Fe,Co)2As2 Dünnschichten . . . . . . . . 44 3.4.2 Epitaktisches Wachstum auf Einkristallen . . . . . . . . . . . . 47 3.4.3 Ba122 Dünnschichten auf PMN-PT . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Ergebnisse und Diskussion 55 4.1 Dynamische Verspannung von supraleitenden Dünnschichten . . . . . . 55 4.1.1 Dehnungsübertrag in die Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1.2 LSCO Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.3 Ba122 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2 Präparation von BaFe1;8Co0;2As2 auf flexiblen Substraten . . . . . . . . 96 4.2.1 Herstellung und Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.2 Einfluss leitfähiger Barriereschichten . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.3 Kritische Stromdichte und Anisotropie . . . . . . . . . . . . . . 109 III Inhaltsverzeichnis 4.2.4 Biegeversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literaturverzeichnis I Publikationsliste XXIII Danksagung XXV Erklärung der Urheberschaft XXVII

Magnetische Formgedächtnislegierungen sind Festkörper, die eine Phasenumwandlung erster Ordnung von einer hochsymmetrischen Phase (Austenit) zu einer niedersymmetrischen Phase (Martensit) durchlaufen. Dies kann in der Nähe von Raumtemperatur stattfinden und sowohl durch Temperaturänderung, als auch durch äußere Magnetfelder, mechanische Spannungen oder hydrostatischen Druck induziert werden. Daraus ergeben sich funktionale Eigenschaften, wie der magnetokalorische und der elastokalorische Effekt, eine magnetfeldinduzierte Dehnung und ein großer Magnetowiderstand. Zwillingsgrenzen im Martensit können durch äußere Magnetfelder bewegt werden, was zu großen reversiblen Längenänderungen führt. Der Ablauf der Phasenumwandlung und das Gefüge des Martensits werden dabei durch die elastischen Randbedingungen an der Phasengrenze bestimmt. In dieser Arbeit werden deshalb die Nukleation und das Wachstum des Martensits untersucht. Als Modellsystem werden epitaktische Schichten der Heuslerlegierung Ni-Mn-Ga verwendet. In der martensitischen Phase weist diese Legierung eine modulierte Kristallstruktur auf, die im Konzept des adaptiven Martensits durch eine Verzwillingung auf der atomaren Skala interpretiert werden kann. Im ersten Teil wird mit Röntgenbeugung die modulierte Struktur untersucht. Die Intensität der Überstrukturreflexe wird mit einer kinematischen Beugungssimulation verglichen. Dabei wird nachgewiesen, dass es sich um ein nanoverzwillingtes Gefüge mit einer hohen Dichte an Stapelfehlern handelt. Im zweiten Teil wird das martensitische Gefüge mit Elektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop und Texturmessungen durch Röntgenbeugung untersucht. Das martensitische Gefüge kann im Rahmen der phänomenologischen Martensittheorie quantitativ erklärt werden. Daraus ergibt sich ein geometrisches Modell des martensitischen Nukleus und seiner Wachstumsstadien. Die Phasenumwandlung wird temperaturabhängig im Elektronen- und im Atomkraftmikroskop untersucht und mit dem geometrischen Modell verglichen. Die begrenzte Gültigkeit des geometrischen Modells an makroskopischen Zwillingsgrenzen und an der Grenzfläche zum Schichtsubstrat werden diskutiert. Schließlich kann die Bildung des gesamten hierarchischen Zwillingsgefüges erklärt werden. Im dritten Teil wird die Energiebarriere der Nukleation untersucht. Da die Umwandlung bei konstanter Temperatur abläuft, wird geschlussfolgert, dass Autonukleationsprozesse zu einer starken Verringerung der Nukleationsbarrieren führen. Schließlich wird gezeigt, dass durch Nanoindentation die Nukleation gezielt beeinflusst werden kann. / Magnetic shape memory alloys are solids that undergo a first order phase transition from a high symmetry phase (austenite) into a low symmetry phase (martensite). This can happen close to room temperature and can be induced by changes of temperature, external magnetic fields, mechanical stresses or hydrostatic pressure. This leads to functional properties like the magnetocaloric and elastocaloric effect, a magnetic-field-induced strain and giant magnetoresistance. Twin boundaries in the martensite can be moved by external magnetic fields, which leads to giant reversible length changes. The process of the phase transition and the microstructure of martensite are determined by the elastic boundary conditions at the phase interface. In this work, nucleation and growth of the martensite are studied. Epitaxial films of the Heusler alloy Ni-Mn-Ga are used as a model system. This alloy exhibits a modulated crystal structure which is interpreted as twinning on the atomic scale in the framework of adaptive martensite. In the first part, the modulated structure is studied by X-ray diffraction. The intensity of the superstructure is compared to a kinematic diffraction simulation and it is shown that it is a nanotwinned microstructure with a high density of stacking faults. In the seond part, the martensitic microstructure is studied by electron diffraction in the scanning electron microscope and by texture measurements using X-ray diffraction. The martensitic microstructure can be explained quantitatively in the framework of the phenomenological theory of martensite. This leads to a geometrical model of the martensitic nucleus and its growth stages. The phase transformation is studied as a function of temperature in the scanning electron microscope and atomic force microscope and is compared to the geometric model. The limits of the geometrical model at macroscopic twin boundaries and at interfaces to the substrate are discussed. Finally, the formation of the entire twin microstructure can be explained. In the third part, the energy barrier of nucleation is studied. The transformation is isothermal which leads to the conclusion that autonucleation processes decrease the nucleation barrier significantly. Finally, the influence of nanoindentation on the nucleation is shown.