Thermomagnetische Generatoren ermöglichen die Umwandlung von Niedrigtemperatur-Abwärme in elektrische Energie. Dabei steht die Leistung eines Generators in engem Zusammenhang mit dem verwendeten aktiven thermomagnetischen Material. Aus der Vielzahl von verfügbaren thermomagnetischen Materialeien wurden Heusler-Legierungen als ideale Systeme für thermomagnetische Mikrogeneratoren vorgeschlagen. Denn sie besitzen eine einstellbare Übergangstemperatur knapp oberhalb der Raumtemperatur, eine steile Änderung der Magnetisierung innerhalb einer engen Temperaturänderung, eine geringe Wärmekapazität und lassen sich mit den üblichen Abscheidetechniken leicht herstellen. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Maßnahmen ergriffen werden können, um die thermomagnetischen Eigenschaften von Ni-Mn-Ga-basierten Heusler Legierungen zu verbessern. Die Kennzahlen für eine thermomagnetische Anwendung sind hier die thermomagnetische Arbeitstemperatur T* und die thermomagnetische Leistungsfähigkeit ∆M/∆T. Das Ziel war es die Arbeitstemperatur so weit anzupassen, dass sie knapp oberhalb von Raumtemperatur liegt, und dabei eine möglichst große Leistungsfähigkeit zu erhalten. Zunächst wurde mittels kombinatorischer Kathodenzerstäubung systematisch untersucht, welchen Einfluss die Änderung der Zusammensetzung durch die Zugabe von Cu auf die (thermo-)magnetischen Eigenschaften von Ni-Mn-Ga-Cu-Schichten hat. Dabei verschiebt sich die martensitische Übergangstemperatur nach oben, während die Curie-Temperatur sinkt. Diese Ergebnisse sind vergleichbar zu Ni-Mn-Ga-Cu Massivproben. In Hinblick auf die thermomagnetischen Eigenschaften, so verschiebt ein steigender Cu-Anteil die Arbeitstemperatur in Richtung der Raumtemperatur. Jedoch hat der steigende Cu-Anteil eine Reduzierung der Leistungsfähigkeit zur Folge. Im Vergleich zu anderen Ni-Mn-Ga-basierten Heusler-Legierungen stellen die hier gezeigten Schichten keine signifikante Verbesserung der thermomagnetischen Eigenschaften. Neben der Zusammensetzung hat die chemische Ordnung ebenfalls Einfluss auf die thermomagnetische Eignung. Die Änderung der chemischen Ordnung wurde durch eine Wärmebehandlung bei 673 K ermöglicht. Unter optimierten Bedingungen konnte die Arbeitstemperatur über die kompletten Zusammensetzungsvariationen noch weiter Richtung Raumtemperatur verbessert werden. Dazu wurde die Leistungsfähigkeit um bis zu 250 % gesteigert, wobei der abfallende Trend weiterhin besteht. In Abhängigkeit der Auslagerungszeit hat sich dazu die spontane Magnetisierung geändert, die nicht über eine Änderung der Zusammensetzung erklärt werden kann. Infolgedessen wurde ein möglicher Verlauf des Ordnungsprozesses in nicht-stöchiometrischen Ni-Mn-Ga-Cu-Schichten als Zwei-Stufen Prozess beschrieben. In einem nächsten Schritt wurde untersucht, welchen Einfluss die Substratwahl auf die thermisch induzierte Spannung einer Ni-Mn-Ga-Schicht hat und wie sich diese Spannung auf die (thermo-)magnetischen Eigenschaften auswirkt. Es zeigte sich, dass eine Reduzierung der Spannung einen direkten Einfluss auf die martensitische Übergangstemperatur hat, aber sich nicht auf die thermomagnetischen Eigenschaften auswirkt. Allerdings wurde gezeigt, dass eine Schicht mit starker Textur eine verbesserte Leistungsfähigkeit besitzt im Vergleich zu Schichten mit geringer Textur. Mit epitaktischem Wachstum von Ni-Mn-Ga-basierten Heusler-Legierungen kann eine sehr hohe Textur erreicht werden, aber bisher ist dies nur auf oxidischen Substarten möglich. Diese erschweren die Integration der Schichten für mögliche Anwendungen. An Si-basierten Substraten und einer epitaktischen SrTiO-Zwischenschicht wurde das Wachstum von Ni-Mn-Ga-Schichten untersucht und mit konventionellen SrTiO-Substraten verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Si-basierten Schichten keinen Nachteil für das epitaktische Wachstum darstellen. Außerdem zeigten die thermomagnetischen Eigenschaften eine Verbesserung mit einer Arbeitstemperatur von 324 K mit einer Leistungsfähigkeit von 0,85 Am²(kgK)-1. Bei der kombinatorischen Herstellung von epitaktischen Ni-Mn-Ga-Cu-Schichten hat der Cu-Anteil keinen Einfluss auf das Wachstum. Es wird die martensitische Übergangstemperatur erhöht bis die bei 2 At.-% sich mit der Curie-Temperatur überlagert und mit größerem Cu-Anteil übersteigt. Durch die Überlagerung von magnetostrukturellen und magnetischen Übergang wird der thermomagnetische Übergang steiler, was zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei kleinen Temperaturänderungen führt. Jedoch tritt bei diesem Übergang eine Hysterese auf, die die Effizienz durch das Benötigen von latenter Wärme reduziert. Eine Analyse der Hysterese ergab, dass Interloop-Messungen eine bessere thermomagnetische Leistungsfähigkeit aufwiesen als Minorloops. Ein guter Kompromiss war eine Interloop-Messung bei einer Temperaturdifferenz von 5 K, da hier eine gute thermomagnetische Leistungsfähigkeit bei einer geringen Hysteresefläche erreicht wurde.

In der vorliegenden Arbeit wurden die mikromagnetische Struktur sowie das Ummagnetisierungsverhalten epitaktisch gewachsener MnAs Filme auf dem Substrat GaAs untersucht. Im Mittelpunkt steht die mikromagnetischen Struktur von anisotrop erspannten MnAs Filmen auf GaAs(001). Die Verspannung führt zur selbstorganisierten Anordnung ferromagnetischer Streifen. Ihre Domänenstruktur wurde mittels MFM (magnetischer Kraftmikroskopie) bestimmt und mit den Resultaten der XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) verglichen. Um eine vollständige Charakterisierung der mikromagnetischen Eigenschaften der Streifenstruktur zu erreichen, wurden die MFM Experimente in einem äusseren Magnetfeld durchgeführt. Die Beantwortung der zentralen Frage nach der Domänenstruktur ist mit der Entwicklung eines mikromagnetischen Simulators für dreidimensionale magnetische Strukturen auf mesoskopischer Skala gelungen. Die Stabilität der dreidimensionalen mikromagnetischen Struktur hängt von den Eigenschaften der selbstorganisierten Streifenstruktur ab, d.h. sowohl von der Filmdicke als auch vom Verhältnis ihrer Breite zur Filmdicke - und damit der Temperatur. Durch die Erkenntnis, dass eine magnetische Struktur in der Tiefe des Streifens vorhanden ist, können die verbleibenden Unterschiede in den XMCDPEEM- und MFM-Resultaten erklärt werden. Durch die Simulationsergebnisse in Kombination mit den Experimenten wird eine widerspruchsfreie Deutung der mikromagnetischen Struktur sowie deren Ummagnetisierungsverhalten ermöglicht. Zudem wird die mikromagnetische Struktur von MnAs auf GaAs(111) simuliert und damit das Verständnis der mikromagnetischen Strukturen auf alle vorhandenen Substratorientierungen vervollständigt. / In the present thesis the micromagnetic structure, as well as the magnetization reversal, of epitaxial MnAs films on GaAs substrates are studied. The investigation is focused on the micromagnetic structure of anisotropically strained MnAs films on GaAs(001). The strain originates a selforganized array of ferromagnetic stripes. The magnetic domains were investigated using MFM (magnetic force microscopy) and the results were compared with XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy). To completely characterize the micromagnetic properties of the stripe structure, MFM experiments were performed in the presence of an external field. To unambiguously determine the domain structure a three-dimensional micromagnetic simulator was developed capable to calculate magnetic structures with mesoscopic dimensions. The stability of the three-dimensional micromagnetic structure depends on the properties of the selforganized stripe structure, i.e., on the film thickness as well as on the ratio of the stipe width to thickness - and thus the temperature. Taking into account the magnetization distribution in-depth, the remaining differences between the XMCDPEEM and the MFM results can be explained by the disturbing effect of the MFM tip. The results of the micromagnetic simulations, in combination with the experimental results, allow for a determination of the micromagnetic structure in an applied field throughout the phase coexistence regime. Moreover, the micromagnetic structure of MnAs films on GaAs(111) is simulated and thus the understanding of the micromagnetic properties have been extended on all substrate orientations.

Die vorliegende Dissertation "Struktur und Magnetotransport laserdeponierter Lanthanmanganat Dünnschichtsysteme" beschäftigt sich mit der Herstellung, den strukturellen Eigenschaften und dem Magnetotransport von ferromagnetisch-metallischen Lanthanmanganat-Schichten La0.7A0.3MnO3 (A=Sr, Ca) und Schichtsystemen. Die untersuchten Schichten und Schichtsysteme wurden mittels Laserablation in "off-axis" Geometrie auf einkristallinen oxidischen Substraten abgeschieden. An einer Serie von polykristallinen La0.7Sr0.3MnO3/Y:ZrO2(100) Schichten wurde der Korngrenzen-Magnetowiderstandseffekt ferromagnetisch-metallischer Manganate untersucht. Durch Variation der Substrattemperatur während der Abscheidung läßt sich die Textur graduell einstellen. Untersuchungen des quantitativen Verhaltens des Magnetowiderstandes zeigen eine klare Korrelation des Niederfeld-Magnetowiderstandes und des Hochfeld-Magnetowiderstandes. Durch Untersuchungen an einer nichttexturierten Schicht in hohen gepulsten Magnetfeldern konnte auf einen indirekten Tunnelprozeß der Elektronen durch die Korngrenze entsprechend einem Modell von Lee et al. geschlossen werden, wobei die magnetische Ordnung der Korngrenze antiferromagnetisch ist. An den epitaktischen Schichtserien La0.7Ca0.3MnO3/NdGaO3(110) und La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3(100) und an heteroepitaktischen Multilagen (La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3)n/SrTiO3(100) wurden die strukturellen, magnetischen und elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Schichtdicke und der Einfluß der Grenzflächeneigenschaften untersucht. Allgemein zeigte sich, daß die mechanische Verspannung und Mikrostruktur der Schichten einen großen Einfluß auf deren physikalischen Eigenschaften haben. Die beobachtete Reduzierung der Curie-Temperatur, der Metall-Isolator-Übergangstemperatur und der spontanen Magnetisierung kann auf den finite-size Effekt und auf die Ausbildung von Perkolationspfaden (metallische Cluster in nichtmetallischer Matrix) in den ultradünnen Schichen zurückgeführt werden.

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.

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.

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.

Die vorliegende Dissertation "Struktur und Magnetotransport laserdeponierter Lanthanmanganat Dünnschichtsysteme" beschäftigt sich mit der Herstellung, den strukturellen Eigenschaften und dem Magnetotransport von ferromagnetisch-metallischen Lanthanmanganat-Schichten La0.7A0.3MnO3 (A=Sr, Ca) und Schichtsystemen. Die untersuchten Schichten und Schichtsysteme wurden mittels Laserablation in "off-axis" Geometrie auf einkristallinen oxidischen Substraten abgeschieden. An einer Serie von polykristallinen La0.7Sr0.3MnO3/Y:ZrO2(100) Schichten wurde der Korngrenzen-Magnetowiderstandseffekt ferromagnetisch-metallischer Manganate untersucht. Durch Variation der Substrattemperatur während der Abscheidung läßt sich die Textur graduell einstellen. Untersuchungen des quantitativen Verhaltens des Magnetowiderstandes zeigen eine klare Korrelation des Niederfeld-Magnetowiderstandes und des Hochfeld-Magnetowiderstandes. Durch Untersuchungen an einer nichttexturierten Schicht in hohen gepulsten Magnetfeldern konnte auf einen indirekten Tunnelprozeß der Elektronen durch die Korngrenze entsprechend einem Modell von Lee et al. geschlossen werden, wobei die magnetische Ordnung der Korngrenze antiferromagnetisch ist. An den epitaktischen Schichtserien La0.7Ca0.3MnO3/NdGaO3(110) und La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3(100) und an heteroepitaktischen Multilagen (La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3)n/SrTiO3(100) wurden die strukturellen, magnetischen und elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Schichtdicke und der Einfluß der Grenzflächeneigenschaften untersucht. Allgemein zeigte sich, daß die mechanische Verspannung und Mikrostruktur der Schichten einen großen Einfluß auf deren physikalischen Eigenschaften haben. Die beobachtete Reduzierung der Curie-Temperatur, der Metall-Isolator-Übergangstemperatur und der spontanen Magnetisierung kann auf den finite-size Effekt und auf die Ausbildung von Perkolationspfaden (metallische Cluster in nichtmetallischer Matrix) in den ultradünnen Schichen zurückgeführt werden.

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.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der mikromagnetischen Domänenstruktur und des gekoppelten magneto-strukturellen Phasenübergangs dünner epitaktischer MnAs-Filme auf GaAs. Im Besonderen wird der Einfluss der Substratorientierung, der Filmdicke und eines externen magnetischen Feldes auf die magnetischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Dabei kommen die komplementären Untersuchungsmethoden AFM (atomic force microscopy) / MFM (magnetic force microscopy) und LEEM (low energy electron microscopy) / XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) zum Einsatz. Im Zuge des Phasenübergangs erster Ordnung zeigen MnAs Filme auf GaAs (001) und (311)A eine regelmäßige Anordnung ferromagnetischer alpha-MnAs und paramagnetischer beta-MnAs Streifen. Die Breite der Streifen ist eine Funktion der Temperatur, während die Periodizität eine lineare Funktion der Filmdicke ist. Die Domänenstruktur hängt stark von der Breite bzw. dem Abstand der ferromagnetischen Streifen ab, da diese direkt die Formanisotropie bzw. die magnetische Kopplung beeinflussen. Die Domänenstrukturen wird, abhängig von der Zahl der Subdomänen entlang der leichten Magnetisierungsrichtung, klassifiziert, wobei bis zu drei elementare Domänentypen beobachtet werden. Bei MnAs-Filmen die auf der GaAs (111)B Oberfläche gewachsen wurden, führt die Epitaxie zu einem geänderten Spannungszustands des Films, wobei eine erhöhte Phasenübergangstemperatur beobachtet wird. Durch temperaturabhängige XMCDPEEM-, AFM- und MFM-Messungen kann gezeigt werden, daß durch den lokalen Abbau der Verspannung in der Nähe eines Risses die Phasenübergangstemperatur lokal erhöht ist. Um Ummagnetisierungsprozesse auf einer mikroskopischen Skala untersuchen zu können und um den Einfluß eines magnetischen Feldes auf die Domänenstruktur sichtbar zu machen, wurde das temperaturvariable Rastersondenmikroskop um einen variablen Magnetfeldaufbau ergänzt. / This work presents the study of the micromagnetic domain structure and the coupled magneto-structural phase transition of epitaxial MnAs thin films on GaAs. In particular, the influence of substrate orientation, film thickness and external magnetic field on the magnetic and structural properties are investigated, employing the complementary measurement techniques atomic force microscopy (AFM) / magnetic force microscopy (MFM) and low energy electron microscopy (LEEM) / X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy (XMCDPEEM. In the course of the first-order phase transition MnAs films on GaAs (001) and (311)A substrates show a regular array of ferromagnetic alpha- and paramagnetic beta-MnAs stripes. The width of the ferromagnetic stripes are a function of the temperature, whereas the periodicity of the stripe pattern is a function of the film thickness. The domain structure strongly depends on the width and the distance of the ferromagnetic stripes, as it directly affects the shape anisotropy and magnetic coupling, respectively. The domain patterns are classified depending on the number of subdomains along the easy axis direction. Up to three basic domain types can be distinguished. For MnAs films grown on GaAs (111)B, the epitaxy leads to a different strain state of the film, resulting in polygonal ferromagnetic structures embedded in a honeycomb-like paramagnetic network, and a higher phase transition temperature. Using temperature-dependent AFM, MFM and XMCDPEEM it is shown that the local strain relaxation in the vicinity of cracks in the MnAs film results in a locally increased phase transition temperature. In order to study magnetization reversal processes on a microscopic scale, as well as the influence of the magnetic field on the domain structure, a variable-magnetic field set-up is employed.

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.