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The response of the structure of the M-type barium hexaferrite (BaFe12O19) to mechanical action through high-energy milling and its impact on the magnetic behaviour of the ferrite are investigated. Due to the ability of the Fe-57 Mossbauer spectroscopic technique to probe the environment of the Fe nuclei, a valuable insight on a local atomic scale into the mechanically induced changes in the hexagonal structure of the material is obtained. It is revealed that the milling of BaFe12O19 results in the deformation of its constituent polyhedra (FeO6 octahedra, FeO4 tetrahedra and FeO5 triangular bi-pyramids) as well as in the mechanically triggered transition of the Fe3+ cations from the regular 12k octahedral sites into the interstitial positions provided by the magnetoplumbite structure. The response of the hexaferrite to the mechanical treatment is found to be accompanied by the formation of a non-uniform nanostructure consisting of an ordered crystallite surrounded/separated by a structurally disordered surface shell/interface region. The distorted polyhedra and the non-equilibrium cation distribution are found to be confined to the amorphous near-surface layers of the ferrite nanoparticles with the thickness extending up to about 2 nm. The information on the mechanically induced short-range structural disorder in BaFe12O19 is complemented by an investigation of its magnetic behaviour on a macroscopic scale. It is demonstrated that the milled ferrite nanoparticles exhibit a pure superparamagnetism at room temperature. As a consequence of the far-from-equilibrium structural disorder in the surface shell of the nanoparticles, the mechanically treated BaFe12O19 exhibits a reduced magnetization and an enhanced coercivity. DFG/SPP/1415 APVV/0528-11 VEGA/2/0097/14

Nanostructured fayalite (α-Fe2SiO4) with a large volume fraction of interfaces is synthesized for the first time via single-step mechanosynthesis, starting from a 2α-Fe2O3 + 2Fe + 3SiO2 mixture. The nonequilibrium state of the as-prepared silicate is characterized by the presence of deformed polyhedra in the interface/surface regions of nanoparticles. Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Nanostructured fayalite (α-Fe 2SiO 4) with a large volume fraction of interfaces is synthesized for the first time via single-step mechanosynthesis, starting from a 2α-Fe 2O 3 + 2Fe + 3SiO 2 mixture. The nonequilibrium state of the as-prepared silicate is characterized by the presence of deformed polyhedra in the interface/surface regions of nanoparticles. © 2012 The Royal Society of Chemistry.

Skyrmionische Eigenschaften von epitaktischen MnSi- und MnGe-Filmen – Untersuchungen mit Magnetotransport- und Hall-Effekt-Messungen Im Fokus dieser Arbeit steht die Herstellung und anschließende Charakterisierung von epitaktisch gewachsenen MnSi- und MnGe-Filmen und -Nanostrukturen. Während die magnetischen Phasen der Volumenmaterialien bereits in der Literatur etabliert sind, finden sich bei unterschiedlichen Filmproben desselben Materials zum Teil große Diskrepanzen insbesondere im Hinblick auf das Auftreten der Skyrmionenphase. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen zum Volumen analogen definierten Zustand der epitaktischen Filme zu erzeugen. Dazu werden in dieser Arbeit ausführliche Optimierungsprozesse hinsichtlich der Herstellungsparameter der Filme mit einem Fokus auf die Oberflächenbeschaffenheit und der Verspannung in der Einheitszelle vorgestellt. Zusätzlich wird ein lithografischer Prozess an MnSi- und MnGe-Filmen etabliert, mit dessen Hilfe Nanostrukturen mit Stegbreiten in der Größenordnung von 50 nm hergestellt werden können. Anschließend an die Herstellung werden die Magnetotransportmessungen der Filme und Nanostrukturen durchgeführt. Dabei wird zunächst das temperaturabhängige Magnetowiderstandsverhalten bestimmt. Anhand dessen kann unter anderem der Einfluss des Substrats auf den temperaturabhängigen Widerstand erklärt werden. Weiterhin wird erstmals ein auf das Volumenmaterial rückführbarer, termperaturabhängiger Hallwiderstand bestimmt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Untersuchung der lokalen Eigenschaften des Films durch entsprechende Nanostrukturierung. Untersuchungen ohne externen Druck ergeben dabei, dass kein auf Skyrmionen rückführbarer topologischer Hall-Effekt in epitaktisch gewachsenen MnSi- und MnGe-Filmen vorliegt. Die Unterdrückung der Ausbildung von magnetischen Skyrmionen wird dabei auf eine Verzerrung der Einheitszelle zurückgeführt. Um dies zu untersuchen, werden druckabhängige Magnetotransportmessungen an MnSi-Filmen mit hydrostatischem Druck von bis zu 2,58 GPa durchgeführt. Berechnungen ergeben, dass sich eine Kompensation der Verzerrung bei circa 2 GPa einstellt. Analog zu den Überlegungen zeigte sich bei Messungen oberhalb von 2 GPa eine entsprechende zusätzliche Signatur in dem Magnetowiderstand und dem Hall-Effekts. Diese Signatur lässt sich als Ausbildung einer zusätzlichen magnetischen Phase deuten, welche in Analogie zum Volumenmaterial als Identifikationsmerkmal von magnetischen Skyrmionen in MnSi-Filmen unter Druck dient., The main focus of this thesis lies on the manufacturing and subsequent characterization of epitaxially grown MnSi and MnGe thin films and nanostructures. These materials are members of the so-called B20-group of materials and show in their bulk state well established properties of the magnetic phases. In contrast, for epitaxial thin films of the same materials various inconsistencies regarding the skyrmionic behaviour is observed. The goal of this work is to obtain structurally well-defined epitaxial thin films in analogy to bulk material. For that reason several an extensive optimization process regarding the growth parameters is performed mainly focused on the surface quality of the thin films as well as on the strain of the unit cell. In addition, a lithographic process has been established, which nanostructures with a smallest structure size of 50 nm can be reliably obtained with. Following the manufacturing process the films and nanostructures are characterized regarding their magneto-transport properties. At first the temperature dependent magneto-resistance is determined. Analysing the resistivity the influence of the substrate on the resistivity of the thin films is obtained. In addition to the resistivity a temperature dependent Hall-measurement is performed. For the first time a reliable result of the Hall effect is yield which is directly scalable with the data of the bulk material. A large effort is made on the investigation of the local properties of the film material in terms of nanostructuring. Measurements without external pressure show that a topological Hall effect traceable to skyrmions is absent in epitaxially grown MnSi and MnGe thin films. The reason of the suppression of the skyrmions is attributed to the strain of the unit cell. Therefore, a pressure dependent characterization of the magnetic transport properties is performed on MnSi thin films with an applied pressure of up to 2.58 GPa. Intitial calculations show that at roughly 2 GPa the internal strain of the MnSi unit cell is compensated. As a result, an additional signature in the magneto-resistance and the Hall effect is obtained at pressures above 2 GPa. This signature is interpreted in terms of additional magnetic ordering, which is analogous to bulk material an identification feature of magnetic skyrmions in MnSi thin films under applied pressure.

In magnetic materials without structural inversion symmetry the Dzyaloshinskii-Moriya interaction favours a perpendicular orientation of neighbored spins, which leads to a helical magnetic ground state. In an external magnetic field a variety of magnetic phases is realized, for example a skyrmion lattice in the A-phase close to the magnetic ordering temperature Tord. Skyrmions are topologically stable spin whirls offering, e.g., promising potential in the field of data storage. The compounds MnSi, MnGe and Mn1-xFexSi, which crystallize in the cubic B20 structure, belong to the most prominent examples of this materials' class. Thin films of the B20 compounds are of special interest, since anisotropies are induced by finite size effects and strain, which are able to stabilize the skyrmion phase in extended regions of the magnetic phase diagram. During this work MnSi thin films were grown by molecular beam epitaxy on Si(111) substrates. On the one hand samples were prepared by deposition of a Mn layer onto the substrate and subsequent annealing. This way Mn reacts with Si from the substrate to form MnSi. On the other hand films were grown by simultaneous deposition of Mn and Si. Susceptibility measurements reveal that Tord is thickness dependent for MnSi thin films. While films thicker than 10 nm possess an enhanced Tord of 43 K compared to the bulk value of 29 K, Tord decreases for thinner films. From this thickness dependence the spin-spin correlation length has been determined. The magnetic phase diagram of MnSi thin films was investigated by magnetization and magnetoresistivity measurements. The saturation field is enhanced compared to bulk MnSi and for applied magnetic fields below saturation further transitions into different magnetic phases occur. Moreover, resistivity measurements on MnSi thin films were performed under hydrostatic pressure, which can completely suppress magnetic order. At high pressure non-Fermi liquid behaviour could be identified by a T3/2 law of the resistivity at low temperatures. In the second part of this work MnGe and Mn1-xFexSi thin films were prepared on Si(111) substrates. While MnGe films posses a high magnetic ordering temperature of 200 K, magnetic order is suppressed for x = 0.15 +- 0.05 in Mn1-xFexSi thin films., In magnetischen Materialien, deren Struktur keine Inversionssymmetrie besitzt, begünstigt die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung eine senkrechte Ausrichtung benachbarter Spins, was zu einer helikalen magnetischen Struktur im Grundzustand führt. Durch ein externes Magnetfeld können verschiedene Phasen induziert werden, darunter ein Skyrmionengitter in der A-Phase direkt unterhalb der Ordnungstemperatur TOrd. Skyrmionen sind topologisch stabile Spinwirbel, die vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten z. B. in der Datenspeicherung bieten. Die Verbindungen MnSi, MnGe and Mn1-xFexSi, die in der kubischen B20-Struktur kristallisieren, sind prominente Vertreter dieser Materialien. Dünne Filme der B20-Verbindungen sind von besonderem Interesse, da hier Anisotropien durch Verspannungen und Dünnschichteffekte hervorgerufen werden. Diese können die Skyrmionenphase in einem großen Bereich des magnetischen Phasendiagramms stabilisieren. In dieser Arbeit wurden dünne MnSi-Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie auf Si(111) Substraten gewachsen. Einerseits wurden Filme hergestellt, indem eine Mn-Schicht auf dem Si-Substrat abgeschieden und anschließend einlegiert wurde, so dass das Mangan mit dem Silizium des Substrats zu MnSi reagiert. Andererseits wurden Filme durch gleichzeitiges Aufdampfen von Mn und Si gewachsen. In Suszeptibilitätsmessungen zeigte sich, dass TOrd für die MnSi-Filme eine Dickenabhängigkeit aufweist. Während sich die dickeren Filme durch ein gegenüber dem Volumenmaterial erhöhtes TOrd von 43 K auszeichnen, ist TOrd für die sehr dünnen Filme reduziert. Anhand der Dickenabhängigkeit von TOrd konnte die Spin-Spin-Korrelationslänge bestimmt werden. Das magnetische Phasendiagramm der dünnen MnSi-Filme wurde mittels Magnetisierungs- und Magnetowiderstandsmessungen untersucht. Dabei konnten im Vergleich zum Volumenmaterial erhöhte kritische Felder sowie weitere Übergänge in unterschiedliche magnetische Phasen beobachtet werden. Des Weiteren wurden Widerstandsmessungen an einer dünnen MnSi-Schicht unter hydrostatischem Druck durchgeführt. Diese zeigten, dass die magnetische Ordnung vollständig unterdrückt werden kann. Abweichungen vom Modell einer Fermi-Flüssigkeit wurden bei hohen Drücken durch ein T3/2-Verhalten des Widerstandes nachgewiesen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden MnGe- und Mn1-xFexSi-Filme auf Si(111) hergestellt. Während die MnGe-Filme ein TOrd von 200 K besitzen, wird die Ordnung in Mn1-xFexSi-Filmen für x= 0,15 +- 0,05 unterdrückt.

Spintronik ergänzt die konventionelle Halbleiterelektronik bereits an vielen Stellen der Informationstechnologie, die dadurch neben dem elektronischen Freiheitsgrad der Ladung auch den des Elektronenspins nutzen kann. Die klassische Trennung von elektronischer Datenverarbeitung und magnetischer Speicherung in der Informationstechnologie wurde mit der Entdeckung magnetoresistiver Effekte in magnetischen Schichtsystemen aufgehoben - an dieser Stelle treten die beiden Elektroneneigenschaften Spin und Ladung in Wechselwirkung. Die enge Verknüpfung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften erfordert ein genaues Verständnis der elektronischen Vorgänge in dotierten Metalloxid-Halbleitern, um Materialien wie die zwei Verbindungen SnO2 und TiO2 gezielter für spintronische Anforderungen zu modellieren. Zu diesem Zweck wurden Untersuchungen an diesen Materialien unternommen, um die grundlegenden Prozesse der Schichtherstellung, der Nachbehandlungen und die morphologische Charakterisierung bis zu deren Auswirkungen auf die elektrischen Transportmechanismen und die magnetische Phänomenologie zu studieren. In der vorliegenden Arbeit werden die Herstellung von dünnen Zinndioxid- und Titandioxid-Schichten und die Resultate verschiedener physikalischer Charakterisierungsmethoden beschrieben. Die beiden Metalloxide wurden mit einem Sputterverfahren und mit einem thermischen Verdampfungsverfahren als dünne Schichten aufgebracht. Es wurden Mikroskop- und Röntgen-Beugungsuntersuchungen durchgeführt, um die Morphologie der Materialien zu untersuchen. Einige SnO2-Proben wurden einem Annealing unterzogen, die TiO2-Schichten wurden nachträglich mit Fe-Ionen dotiert. Die Untersuchungen konnten in einigen Fällen ferromagnetische Ordnung in TiO2:Fe mit Ordnungstemperaturen über 300 K bestätigen. Die Leitfähigkeitsmessungen der Schichten identifizieren den dominierenden Leitungsmechanismus als Variable Range Hopping zwischen lokalisierten Zuständen tief in der Bandlücke., Spintronics already increase the functionality of conventional semiconductor electronics, by utilizing the degree of freedom of the electrons charge and spin at the same time. The traditional separation of electronical data processing and magnetical data storage has been overturned by the discovery of magneto resistive effects in magnetic layer structures - at this point the spin and the charge of the electron interact. To use compounds like SnO2 and TiO2 for spintronic devices a detailed understanding of the electronical processes in such materials is required. Mainly that is the close interconnection between magnetical and electronical properties in doped metal oxide semiconductors. For this purpose the fundamental processes of thin film deposition, the effects of secondary treatment and the morphological properties of these materials have been investigated, to study the influence on the electrical transport and the magnetical phenomenology. In this work different deposition methods for tin dioxide und titanium dioxide thin films are described and the results of several physical characterizations are shown. Both compounds have been deposited as thin films with sputtering and with thermal evaporation. Investigations of the materials morphology were done by transmission electron and atomic force microscopy and X-Ray diffraction. Some SnO2 samples have been annealed, while the TiO2 thin films have been doped with Fe ions post-preparational. In some cases the results show ferromagnetical behaviour in TiO2:Fe with ordering temperatures above 300 K. The conductivity measurements identify the Variable Range Hopping of localized states in the band gap as the dominating electronic transport process.