The fundamental properties of hexagonal multiferric HoMnO3 films have been thoroughly investigated. The films are grown by pulsed laser deposition on Y:ZrO2(111) substrates. High quality epitaxial HoMnO3 films of 25 { 1000 nm thickness were successfully prepared. The film properties are compared to those of single-crystals. The magnetization measurements revealed that the films show a deviating magnetic behavior from the single-crystals in several ways. For instance, the films have a weakened antiferromagnetic Ho3+ order confirmed from magnetic susceptibility. The difierences are likely to be related to the modified (mostly larger) lattice parameters of films. An approximate phase diagram in comparison with the single-crystal's one is constructed. For multiferroicity investigations, Second Harmonic Generation (SHG; in collaboration with the group of M. Fiebig) has been employed. By SHG, the ferroelectric polar order of the films is obviously confirmed. The ferroelectric switching at room temperature could be clearly demonstrated, whereas leakage of films requires generally a more sophisticated approach. / Die fundamentalen Eigenschaften von hexagonalen multiferroischen HoMnO3 Schichten werden eingehend untersucht. Die dünnen Schichten wurden mittels gepulster Laserdeposition auf Y:ZrO2(111)-Substraten gewachsen. Hochwertige epitaktische HoMnO3-Dünnschichten von 25 { 1000 nm Dicke wurden erfolgreich hergestellt. Die Dünnschichteigenschaften werden mit denen von Einkristallen verglichen. Die Magnitisierungsmessungen ergeben, dass die dünnen Schichten ein von den Einkristallen in verschiedener Weise abweichendes magnetischen Verhalten zeigen. Zum Beispiel haben die dünnen Schichten eine abgeschwächte antiferromagntetische Ho3+ Ordnung, die durch die magnetische Suszeptibilität bestätigt wird. Die Unterschiede sind wahrscheinlich auf die veränderten (meistens grösseren) Gitterparameter der dünnen Schichten zurückzuführen. Ein Phasendiagramm wird zum Vergleich mit Einkristallen konstruiert. Durch Second Harmonic Generation (SHG; in Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Fiebig) wird die ferroelektrische Ordnung der dünnen Schichten eindeutig bestätigt. Das ferroelektrische Umschalten bei Raumtemperatur kann eindeutig nachgewiesen werden, wobei durch den Leckstrom der dünnen Schichten allgemein eine detailliertere Vorgehensweise benötigt wird.

Multiferroika, also Materialien, die gleichzeitig ferroelektrische und ferromagnetische Eigenschaften besitzen, sind sowohl für die Forschung um das Verständnis dieser Eigenschaften als auch für potentielle Anwendungen in neuartigen Speichern von großem Interesse. Die Rasterkraftmikroskopie spielt hierbei eine entscheidende Rolle, da mit ihrer Hilfe die Eigenschaften solcher Probensysteme auf der Nanometerlängenskala untersucht werden können. In der vorliegenden Arbeit werden drei unterschiedliche multiferroische Systeme auf ihre ferroelektrischen und ferromagnetischen Eigenschaften sowie auf deren Kopplung hin mit Hilfe verschiedener Methoden der Rasterkraftmikroskopie untersucht. Im Grundlagenteil dieser Arbeit wird dazu zunächst eine Methode vorgestellt, mit der magnetische Spitzen für die Rasterkraftmikroskopie charakterisiert werden können, so dass in experimentellen Untersuchungen die Wechselwirkung zwischen der untersuchenden Spitze und der untersuchten Probe besser abgeschätzt werden kann. Des Weiteren wird eine Möglichkeit vorgestellt, Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie mit der magnetischen Rasterkraftmikroskopie zu kombinieren, um elektrostatische Artefakte bei den Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften auszuschließen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden zuerst die beiden einphasigen Multiferroika BiFeO3 und BiCrO3 untersucht. Es kann experimentell gezeigt werden, dass für die Untersuchung der ferromagnetischen Eigenschaften von Multiferroika die Kombination aus Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie und magnetischer Rasterkraftmikroskopie notwendig ist und mit dieser Technik die magnetischen und elektrostatischen Kräfte ohne Übersprechen voneinander getrennt werden können. Mit Hilfe der Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie werden die ferroelektrischen Domänen dieser Systeme untersucht und lokal die Polarisationsrichtung in den einzelnen Domänen bestimmt. Weiterhin wird an einem Schichtsystem, bestehend aus einem Nickelfilm, der auf BaTiO3 aufgebracht ist, die magnetoelektrische Kopplung analysiert. Hierbei wird vor allem der Einfluss einer elektrischen Spannung auf die leichte magnetische Achse des Nickelfilms studiert, sowie die Veränderung der magnetischen Domänenstruktur in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung.

Multiferroika, also Materialien, die gleichzeitig ferroelektrische und ferromagnetische Eigenschaften besitzen, sind sowohl für die Forschung um das Verständnis dieser Eigenschaften als auch für potentielle Anwendungen in neuartigen Speichern von großem Interesse. Die Rasterkraftmikroskopie spielt hierbei eine entscheidende Rolle, da mit ihrer Hilfe die Eigenschaften solcher Probensysteme auf der Nanometerlängenskala untersucht werden können. In der vorliegenden Arbeit werden drei unterschiedliche multiferroische Systeme auf ihre ferroelektrischen und ferromagnetischen Eigenschaften sowie auf deren Kopplung hin mit Hilfe verschiedener Methoden der Rasterkraftmikroskopie untersucht. Im Grundlagenteil dieser Arbeit wird dazu zunächst eine Methode vorgestellt, mit der magnetische Spitzen für die Rasterkraftmikroskopie charakterisiert werden können, so dass in experimentellen Untersuchungen die Wechselwirkung zwischen der untersuchenden Spitze und der untersuchten Probe besser abgeschätzt werden kann. Des Weiteren wird eine Möglichkeit vorgestellt, Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie mit der magnetischen Rasterkraftmikroskopie zu kombinieren, um elektrostatische Artefakte bei den Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften auszuschließen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden zuerst die beiden einphasigen Multiferroika BiFeO3 und BiCrO3 untersucht. Es kann experimentell gezeigt werden, dass für die Untersuchung der ferromagnetischen Eigenschaften von Multiferroika die Kombination aus Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie und magnetischer Rasterkraftmikroskopie notwendig ist und mit dieser Technik die magnetischen und elektrostatischen Kräfte ohne Übersprechen voneinander getrennt werden können. Mit Hilfe der Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie werden die ferroelektrischen Domänen dieser Systeme untersucht und lokal die Polarisationsrichtung in den einzelnen Domänen bestimmt. Weiterhin wird an einem Schichtsystem, bestehend aus einem Nickelfilm, der auf BaTiO3 aufgebracht ist, die magnetoelektrische Kopplung analysiert. Hierbei wird vor allem der Einfluss einer elektrischen Spannung auf die leichte magnetische Achse des Nickelfilms studiert, sowie die Veränderung der magnetischen Domänenstruktur in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung.:Abbildungsverzeichnis Abkürzungen 1. Einleitung I. Grundlagen 2. Ferroische Materialien 2.1. Ferromagnetika 2.2. Ferroelektrika 2.3. Kopplung ferroischer Eigenschaften: Multiferroika 3. Messmethoden 3.1. Grundlagen der Rasterkraftmikroskopie 3.1.1. Kontakt-Rasterkraftmikroskopie 3.1.2. Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie 3.2. Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie 3.2.1. Aufbau und Grundlagen 3.2.2. Verwendete Messgeräte 3.3. Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie 3.4. Magnet-Rasterkraftmikroskopie 3.4.1. Grundlagen 3.4.2. MFM in externen Magnetfeldern 3.4.3. Verwendete Messgeräte II Experimente 4. Experimente 4.1. Charakterisierung magnetischer Spitzen 4.2. Untersuchungen an BiFeO3 4.2.1. Eigenschaften von BiFeO3 4.2.2. Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.2.3. Magnetische-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.3. Untersuchungen an BiCrO3 4.3.1 Eigenschaften von BiCrO3 4.3.2. Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.3.3. Magnetische-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.4. Untersuchungen an Ni-Dünnfilmen auf BaTiO3 4.4.1. Magnetische Eigenschaften von Ni 4.4.2. Theoretische Beschreibung des Systems 4.4.3. Magnetische Rasterkraftmikroskopie-Messungen 5. Zusammenfassung und Ausblick Angang A A.1. Koordinatentransformation des piezoelektrischen Tensors A.2. Bestimmung der Polarisationsrichtung aus der Verzerrung Literaturverzeichnis Eigene Publikationen A.3. Vorträge A.4. Poster A.5. Veröffentlichungen Danksagung

The fundamental properties of hexagonal multiferric HoMnO3 films have been thoroughly investigated. The films are grown by pulsed laser deposition on Y:ZrO2(111) substrates. High quality epitaxial HoMnO3 films of 25 { 1000 nm thickness were successfully prepared. The film properties are compared to those of single-crystals. The magnetization measurements revealed that the films show a deviating magnetic behavior from the single-crystals in several ways. For instance, the films have a weakened antiferromagnetic Ho3+ order confirmed from magnetic susceptibility. The difierences are likely to be related to the modified (mostly larger) lattice parameters of films. An approximate phase diagram in comparison with the single-crystal's one is constructed. For multiferroicity investigations, Second Harmonic Generation (SHG; in collaboration with the group of M. Fiebig) has been employed. By SHG, the ferroelectric polar order of the films is obviously confirmed. The ferroelectric switching at room temperature could be clearly demonstrated, whereas leakage of films requires generally a more sophisticated approach. / Die fundamentalen Eigenschaften von hexagonalen multiferroischen HoMnO3 Schichten werden eingehend untersucht. Die dünnen Schichten wurden mittels gepulster Laserdeposition auf Y:ZrO2(111)-Substraten gewachsen. Hochwertige epitaktische HoMnO3-Dünnschichten von 25 { 1000 nm Dicke wurden erfolgreich hergestellt. Die Dünnschichteigenschaften werden mit denen von Einkristallen verglichen. Die Magnitisierungsmessungen ergeben, dass die dünnen Schichten ein von den Einkristallen in verschiedener Weise abweichendes magnetischen Verhalten zeigen. Zum Beispiel haben die dünnen Schichten eine abgeschwächte antiferromagntetische Ho3+ Ordnung, die durch die magnetische Suszeptibilität bestätigt wird. Die Unterschiede sind wahrscheinlich auf die veränderten (meistens grösseren) Gitterparameter der dünnen Schichten zurückzuführen. Ein Phasendiagramm wird zum Vergleich mit Einkristallen konstruiert. Durch Second Harmonic Generation (SHG; in Zusammenarbeit mit der Gruppe von M. Fiebig) wird die ferroelektrische Ordnung der dünnen Schichten eindeutig bestätigt. Das ferroelektrische Umschalten bei Raumtemperatur kann eindeutig nachgewiesen werden, wobei durch den Leckstrom der dünnen Schichten allgemein eine detailliertere Vorgehensweise benötigt wird.