Im Legierungssytem Ni-Mn-Ga tritt bei Zusammensetzungen nahe der stöchiometrischen Zusammensetzung Ni2MnGa der magnetische Formgedächtniseffekt auf. Darunter versteht man die Dehnung durch Bewegung von Zwillingsgrenzen im Magnetfeld. Einkristalle aus Ni-Mn-Ga mit einer tetragonalen 5M-Martensitstruktur zeigen magnetisch erzeugbare Dehnungen von bis zu 6 %. Diese großen Dehnungen verbunden mit der schnellen Schaltfrequenz von Magnetfeldern machen den Effekt interessant für technische Anwendungen z. B. als Aktoren. Derartige Einkristalle sind schwierig und teuer herzustellen, weshalb für technische Anwendung Polykristalle von Interesse sind. Diese lassen sich im Allgemeinen leichter und preiswerter herstellen. Um den magnetischen Formgedächtniseffekt in Polykristalle einzustellen, werden grobkörnige, texturierte Proben mittels des Verfahrens der gerichteten Erstarrung hergestellt. Die Gefügeuntersuchungen erfolgen mit metallographischen Schliffen und die Kornorientierungen werden mit der EBSD-Technik bestimmt. Um das Gefüge zu vergröbern, werden Glühungen nach einer aufgebrachten Warmverformung untersucht. Zur Verringerung der für die Bewegung der Zwillingsgrenzen notwendigen Spannung (Zwillingsspannung) werden die Proben im Druckversuch mechanisch trainiert. Dabei kann die Zwillingsspannung teilweise unter die magnetisch erzeugbare Spannung auf die Zwillingsgrenzen (Magnetospannung) abgesenkt werden. Eine weitere Absenkung der Zwillingsspannung wird durch eine plattenförmige Probengeometrie mit Dicken im Bereich der Korndurchmesser erreicht. An derartigen Proben wird magnetisch rückstellbare freie Dehnung durch Zwillingsgrenzenbewegung erzielt.

In der vorliegenden Arbeit werden die Zusammenhänge zwischen der magnetischen Mikrostruktur und der Ausrichtung der Kristallite, sowohl in Sintermagneten als auch in feinkristallinen, warmumgeformten Magneten auf Nd2Fe14B- und Pr2Fe14B-Basis, untersucht. Die EBSD-Technik (electron backscatter diffraction) wurde für Sintermagnete und für feinkristalline, warmumgeformte Magnete auf Nd2Fe14B-Basis erstmals erfolgreich eingesetzt, um eine quantitative Texturanalyse durchzuführen. Die Polfiguren des hoch texturierten Sintermagneten bzw. warmumgeformten Magneten zeigen eine stark ausgeprägte [001] Fasertextur. Aus dem Vergleich von REM-, EBSD- und Kerr-Untersuchungen an ein- und derselben Probenoberfläche der Sintermagnete konnte quantitativ gezeigt werden, wie die Domänenstruktur von der individuellen Orientierung der Nd2Fe14B-Körner abhängt. Die Domänenstruktur der hoch texturierten Sintermagnete weist auf eine starke magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Kristalliten hin. In den Heißpresslingen und in den warmumgeformten Magneten auf Nd2Fe14B-Basis und Pr2Fe14B-Basis wurden Wechselwirkungsdomänen mittels Magnetkraftmikroskopie nachgewiesen. Die Wechselwirkungsdomänen, deren Größe stark vom Umformgrad abhängt, sind immer größer als die einzelnen Kristallite. Die Bildung der Wechselwirkungsdomänen wurde auf magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Kristalliten zurückgeführt, was mit Hilfe der Wohlfarth-Analyse der Remanenzverhältnisse bestätigt werden konnte. Die magnetische Mikrostruktur der warmumgeformten Magnete wurde mit einem Modell, das auf der Bildung von Ketten magnetischer Momente (parallel zur Kettenachse) beruht, beschrieben. Unterhalb der Temperatur des Spinumorientierungsüberganges der Nd2Fe14B-Phase weisen die Sintermagnete rechteckige Domänenmuster auf. Diese magnetische Mikrostruktur wird durch eine spezifische Verteilung der Domänenwände in Bezug auf Änderungen der magnetischen Anisotropie ausgebildet. Im Gegensatz dazu ändern sich die Wechselwirkungsdomänen in dem warmumgeformten Magneten nicht, was auf die starke magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Kristalliten zurückgeführt wurde. / In this work, the correlation between magnetic domain structure and grain alignment in sintered and die-upset magnets, based on Nd2Fe14B and Pr2Fe14B compounds, is investigated. For the first time, EBSD (electron backscatter diffraction) has been successfully applied to conduct a quantitative analysis of the texture of sintered and die-upset Nd2Fe14B magnets. Pole figures of the highly textured sintered and die-upset magnets show a strong [001] fiber texture. By a comparison of SEM, EBSD and Kerr images of the same surface of sintered magnets it was possible to correlate the domain structure of individual grains to their orientation. The domain structure of the highly textured sintered magnet indicates to the presence of a strong magnetostatic interaction between individual grains. Interaction domains have been studied in hot-pressed und die-upset magnets based on Nd2Fe14B and Pr2Fe14B compounds by MFM. The lateral expansion of interaction domains is always larger than grain size and depends from the degree of deformation. The formation of interaction domains is attributed to magnetostatic interaction between individual grains, which has been confirmed by a Wohlfarth’s analysis of the remanence ratio. The magnetic domain structure of die-upset magnets can be described by a model, based on the formation of chains of magnetic moments parallel to the chain direction. Below the spinreorientation temperature of the Nd2Fe14B phase, sintered magnets show a rectangular domain structure. This domain structure is formed by a specific domain wall distribution corresponding to changes of the magnetocrystalline anisotropy. In contrast to this, the interaction domains in the die-upset magnets show no changes below the spinreorientation temperature, what can be also ascribed to the magnetostatic interaction between individual grains.

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.

Theoretische Berechnungen sagen für tetragonal gedehntes Fe-Co eine hohe magnetokristalline Anisotropie voraus, wie sie für seltenerdfreie Dauermagnetwerkstoffe vorteilhaft wäre. In dieser experimentellen Arbeit werden epitaktische Fe-Co-Schichten strukturell und magnetisch charakterisiert. Zur Untersuchung der Dehnung in diesen Schichten eignen sich AuxCu100-x-Pufferschichten besonders, da über die Stöchiometrie (x) deren lateraler Gitterparameter eingestellt werden kann. Wird Fe-Co auf einer solchen Pufferschicht abgeschieden, erfolgt aufgrund dessen hoher elastischer Energie schon in den ersten Monolagen eine vollständige Relaxation der pufferinduzierten Dehnung. In ternären Fe-Co-X-Schichten, in denen kleine X-Atome (X = B, C oder N) Oktaederlücken besetzen, wird jedoch eine spontane tetragonale Dehnung c/a bis zu 1,05 beobachtet. Entlang der gedehnten c-Achse tritt eine uniaxiale magnetokristalline Anisotropie auf, die für B- oder C-Zulegierungen von 2 at% eine maximale Anisotropiekonstante von 0,4 MJ/m³ zeigt. Wird der X-Gehalt weiter erhöht, nehmen die Kristallinität der Schichten und die magnetische Anisotropie ab. Neben der magnetokristallinen Anisotropie des Schichtvolumens wird an den Fe-Co(-X)-Schichten eine hohe Grenzflächenanisotropie beobachtet. Der Beitrag der freien Oberfläche übersteigt den der Au-Cu-Grenzfläche dabei deutlich. / Theoretical calculations predict a high magnetocrystalline anisotropy for tetragonally strained Fe-Co, which would be beneficial for rare-earth free permanent magnet materials. In this experimental work, epitaxial Fe-Co films are investigated structurally and magnetically. AuxCu100-x buffer layers are very suitable to study the strain in these films since their in-plane lattice parameter can be tailored via the applied stoichiometry (x). However, when Fe-Co is deposited on such a buffer layer, the induced strain of the Fe-Co lattice relaxes completely within the first monolayers, due to its high elastic energy. In ternary Fe-Co-X films, where small atoms X like B, C or N occupy octahedral interstitial sites, a spontaneous strain c/a up to 1.05 is observed. A uniaxial magnetocrystalline anisotropy along the strained c axis appears. Their maximum anisotropy constant is 0.4 MJ/m³ for B or C contents of 2 at%. If the X content is further increased, the crystallinity and thus, the magnetic anisotropy of the films degrade. Together with the magnetocrystalline anisotropy of the films’ volumes, a high interface anisotropy is observed for the Fe-Co(-X) films. The contribution of the free surface clearly exceeds the contribution of the Au-Cu interface.

Magneto-sensitive elastomers (MSEs) establish a special class of smart materials, which are able to change their shape and mechanical behavior under external magnetic field. Nowadays, MSEs are one of the most perspective smart materials, since they can be used for design of functionally integrated lightweight structures in sensors, robotics, actuators and damper applications. MSEs typically consist of micron-sized magnetizable particles (e.g. carbonyl iron) dispersed within a non-magnetic elastomeric matrix. The spatial distribution of magnetic particles in MSEs can be either isotropic or anisotropic, depending on whether they have been aligned by an applied magnetic field before the cross-linking of the polymer. Depending on the magnetic properties of the particles, their shape, size and spatial distribution, the MSEs can exhibit different mechanical behavior. Most experimental studies show that MSEs with isotropic distribution of magnetic particles demonstrate a uniaxial expansion along the magnetic field. On the other side, it was shown experimentally that MSEs with anisotropic particle distributions demonstrate a uniaxial contraction along the magnetic field. Also, the experimental works show that the shear moduli of MSEs increase with increasing strength of the magnetic field and depend on the magnetic properties, volume fraction and spatial distribution of particles. Different analytical approaches were used in theoretical studies of the mechanical behavior of MSEs. They can be roughly classified as phenomenological, continuum-mechanics and microscopic approaches. In the phenomenological approaches, the expansion into a series of the shear modulus as a function of the strength of the magnetic field has been proposed, the coefficients of the expansion being considered as phenomenological fitting parameters. In the continuum-mechanics approach, an MSE is considered as continuous magnetic media. It allows us to determine the shape and the change in volume of a spherical MSE sample, placed in a uniform magnetic field. However, this approach is restricted to homogeneous particle distributions. The microscopic approach has a clear advantage, while a discrete particle distribution and pair-wise interactions between induced magnetic dipoles can be considered explicitly. The aim of the present work is to develop a microscopic theory, which properly describes the mechanical behavior of MSEs in the external magnetic field. The theory takes a microscopic structure, finite shape of the samples and magneto-mechanical coupling between particle positions and sample deformation explicitly into account.

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt.

This thesis discusses spin-transfer torques in MgO-based magnetic tunnel junctions. The voltage-field switching phase diagrams have been experimentally determined for in-plane CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions. In order to limit the effect of thermal activation, experiments have been carried out using nanosecond voltage pulses, as well as at low-temperature (4.2 K). The bias-dependence of the two spin-torque terms (Slonczewski-like and field-like) has been determined from thermally-excited ferromagnetic resonance measurements, yielding values which are in good agreement with previous reports. Additionally, material parameters such as the effective magnetisation and the damping factor have also been extracted. Using these values as input, the switching voltages as function of the applied magnetic field have been calculated numerically and analytically by solving the modified Landau-Lifshitz-Gilbert equation. Unlike previous studies, the field-like spin-torque has also been included. Moreover, different configurations have been considered for the magnetic anisotropy directions of the reference and free layer, respectively. / Diese Arbeit befasst sich mit Spin-Transfer-Torque-Effekten in MgO-basierten magnetischen Tunnelstrukturen. Die Phasendiagramme als Funktion von Spannung und Magnetfeld von CoFeB/MgO/CoFeB-Tunnelstrukturen mit Magnetisierung in der Ebene wurden experimentell bestimmt. Um thermische Anregungseffekte zu limitieren, wurden die Experimente einerseits mit nanosekundenlangen Spannungspulsen und andererseits bei niedrigen Temperaturen (4.2 K) durchgeführt. Die Spannungsabhängigkeit der beiden Spin-Torque-Parameter (in-plane und senkrechter Spin-Transfer-Torque) wurde aus Messungen der thermisch angeregten ferromagnetischen Resonanz bestimmt, wobei sich Werte ergaben, die gut mit vorangegangenen Untersuchungen übereinstimmen. Zusätzlich wurden Werte für Materialparameter wie die effektive Magnetisierung und den Dämpfungsparameter gewonnen. Unter Verwendung der erhaltenen Werte wurden die Schaltspannungen als Funktion des angelegten Magnetfeldes analytisch und numerisch berechnet, indem die erweiterte Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung gelöst wurde. Im Gegensatz zu vorangegangenen Untersuchungen wurde der senkrechte Spin-Transfer-Torque dabei mit einbezogen. Darüber hinaus wurden verschiedene Konfigurationen für die Richtung der magnetischen Anisotropie der freien und fixierten Schicht berücksichtigt.

Abschlussdomänenstrukturen in strukturierten weichmagnetischen dünnen Schichten wurden systematisch hinsichtlich ihrer Domänenweite, Domänenmagnetisierungsrichtung, Domänenwandtypen und Wandlängen modifiziert. Somit konnte ein umfassendes Verständnis über die Beeinflussungsmöglichkeiten des dynamischen Magnetisierungsverhaltens von Abschlussdomänenkonfigurationen im GHz-Bereich erarbeitet werden. Ein bekanntes Modell zur Berechnung der akustischen Domänenresonanzfrequenz von 180° -Domänenkonfigurationen wurde unter Berücksichtigung von Abschlussdomänen und endlichen effektiven Domänenwandweiten erfolgreich erweitert. Damit ist eine präzise Vorhersage des dynamischen Verhaltens von 180° - Abschlussdomänenstrukturen möglich. Außerdem wurde aufgezeigt, dass über die Messung der ferromagnetischen Resonanz Domänenwandumwandlungen im Magnetfeld detektiert werden können. Für Strukturen mit angepasster Anisotropie wurde unabhängig von der Anisotropiestärke eine konstante akustische Resonanzfrequenz beobachtet. Dieser unerwartete Zusammenhang wird auf die kompensatorischeWirkung von Abschlussdomänenstrukturen zurückgeführt. Abschließend wird gezeigt, dass für sogenannte Bucklingdomänenstrukturen eine signifikant größere Beeinflussung der ferromagnetischen Resonanzfrequenz durch vergleichsweise kleine statische Magnetfelder erzielt werden kann, als dies bei homogen magnetisierten Strukturen und Schichten der Fall ist. Die vorgestellten Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass über eine Einstellung der ferromagnetischen Domänenstruktur das dynamische Verhalten weichmagnetischer strukturierter Schichten über einen vergleichsweise breiten Frequenzbereich hinweg gezielt modifiziert werden kann.

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.