► Induzieren von uniaxialer magnetischer Anisotropie

Magnetische Materialien, welche eine Vorzugsrichtung aufwie­sen, d.h. eine Richtung, in welcher sich die magnetischen Mo­mente bevorzugt anordnen, besitzen eine magnetische Aniso­tropie. Bei magnetischen Dünnschichten sorgt die Form meis­tens dafür, dass sich die magnetischen Momente präferiert in der Ebene der magnetischen Dünnschicht orientieren. Neben dieser sogenannten Formanisotropie können noch weitere Ani­sotropien vorliegen. Ein Beispiel ist die magnetische uniaxiale Anisotropie in der Filmebene. Diese sorgt dafür, dass die mag­netischen Momente nicht nur bevorzugt in der Filmebene liegen, sondern sich zusätzlich entlang einer Richtung innerhalb der Filmebene orientieren. Solche uniaxiale Anisotropien sind rele­vant für verschiedene Anwendungen, wie z.B. magnetische Tun­nelkontakte, welche wiederum in Leseköpfen von Festplattenlaufwerken oder in magnetoresistiver RAM (MRAM) verwendet werden.

 

Uniaxiale magnetische Anisotropien können verschiedene Ursachen haben, man kann sie jedoch auch aktiv in magnetische Dünnschichten einprägen. Zwei Möglichkeiten, welche in dieser Arbeit untersucht werden sollen, sind das Anlegen eines externen magnetischen Feldes während der Deposition und die Verwendung eines niedrigen Einfallswinkels der am Substrat ankommenden Atome. Die Filme werden mittels Magnetron-Sputterdeposition hergestellt und anschließend auf deren magnetischen Eigenschaften untersucht.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Stephan Glamsch. → @

 

 

► Kristallisation von Orthoferrit-Dünnschichten durch thermische Behandlung

Orthoferrite haben interessante magnetische Eigenschaften, wenn sie als einkristalliner Film hergestellt werden. In Einkristallen sind die Atome in einem gleichmäßigen, zusammenhängenden Gitter angeordnet. Wenn wir jedoch dünne Orthoferrit-Filme bei Raumtemperatur abscheiden, erhalten wir ein amorphes Material, das strukturell ungeordnet ist. Durch Erhitzen können solche amorphen Filme jedoch kristallisieren. In dieser Arbeit sollen amorphe Orthoferrit-Filme durch gepulste Laserablation gewachsen werden und dann durch Nachtempern in ihre kristalline Form gebracht werden. Die Nachtemperbedingung (Temperatur, Temper-Zeit) sollen dazu variiert und optimiert warden. Zusätzlich kann dazu auch eine sogenannte “rapid thermal annealing” Anlage, die Heizraten von bis zu 400 K/s ermöglicht eingesetzt werden. Die strukturellen Eigenscahften der so behandelten Filme wird durch Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie analysiert.

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Christian Holzmann. → @

 

 

► Synthese und Charakterisierung hoch entropischer Perowskite als Volumenmaterial

Hoch entropische Materialien sind Materialien die aufgrund ihrer hohen Entropie trotzdem einphasig kristallisieren. Die Entropie dominiert hierbei und sorgt für eine Minimierung der Gibbs freien Energie

G = H – TS.

Wir konzentrieren uns auf hoch entropische Perovskite und untersuchen den Einfluss der verschiedenen Materialien auf die magnetischen Eigenschaften. Ziel der Arbeit ist es verschiedene hoch entropische Perowksite mittels Festkörperreaktion herzustellen. Diese werden mittels Röntgendiffratkometrie auf ihre strukturellen Eigenschaften untersucht und anschließend auf ihre magnetischen, bei tiefen Temperaturen, untersucht. Die Eigenschaften sollen anschließend mit anderen hoch entropischen Materialien verglichen werden.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Maximilian Mihm. → @

 

 

 

► Wachstum und strukturelle Charakterisierung von epitaktischen Co₃O₄ Dünnschichten

 

Co₃O₄ gehört zu der Familie der Spinelle (AB₂X₄) und besitzt eine kubische Struktur. Außerdem ist es ein Antiferromagnet, dass heißt die magnetischen Spins ordnen sich antiparallel zueinander an. Diese Antiferromagnete rücken gerade in den Fokus der Forschung, da sie für spintronische Anwendungen geeignet sein können.

Das Ziel der Arbeit ist es dünne Schichten von Co₃O₄, mittels gepulster Laserdeposition, herzustellen und diese auf die strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenbeugung (XRD) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) zu untersuchen.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Maximilian Mihm. → @

 

 

► Einfluss des Seed-Layers auf die Eigenschaften des ferrimagnetischen Fe/Gd-Skyrmionensystems

Unsere Forschung beschäftigt sich unter anderem mit der Erforschung topologisch geschützter, magnetischer Spin-Texturen. Diese sogenannten Skyrmionen können bei­spielsweise im ferrimagnetischen Multilagensystem [Fe/Gd] durch die dipolare Interaktion stabilisiert werden. Bei der Herstellung dieser Dünn­schichtproben mittels Magnetron-Sputterdeposition wird die mag­netische Schicht auf eine sogenannte Keimschicht auf dem Substrat aufgebracht. Im Rahmen dieser Arbeit sollen mehrere Fe/Gd Filme auf unterschiedlichen Keimschichten abgeschieden werden, welche anschließend mittels SQUID-VSM Magnetometrie, magnetischer Kraftmikroskopie (MFM), sowie Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie (LTEM) charakteri­siert werden. Der Einfluss der Keimschicht auf die magneti­schen Eigenschaften des Fe/Gd Systems soll hierbei genauer untersucht werden.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei  Timo Schmidt. → @

 

 

► Design und Herstellung eines Interdigitalwandlers (IDT)

Akustische Oberflächenwellen (SAWs) sind ein unverzichtbarer Bestandteil der heutigen Kommunikationstechnologie. In elektronischen Geräten können elektrische Signale über den inversen piezoelektrischen Effekt in akustische Wellen umgewandelt werden und umgekehrt. Hierzu werden üblicherweise Interdigitalwandler (IDTs) verwendet. IDTs können als metallische Fingergitterstrukturen beschrieben werden, es gibt jedoch viele verschiedene mögliche Formen, jede mit ihren eigenen (Nach-)Vorteilen. Die IDT-Geometrie spielt hierbei eine wichtige Rolle für die Effizienz des IDTs.

 

In unserer Forschung nutzen wir diese IDTs als Werkzeug zur Anregung von SAWs, die dann, wenn die Resonanzbedingung erfüllt ist, Spinwellen (SWs) in einem magnetischen Dünnfilm anregen. Allerdings ist das IDT-Design und die Optimierung (z.B. Impedanzanpassung) ein eigenes, bereits recht gut etabliertes Forschungsgebiet. Das Ziel dieser Masterarbeit ist der Entwurf und die Optimierung verschiedener IDT-Strukturen hinsichtlich SAW-Ausgangssignalen großer Amplitude in Experiment und Simulation. Für die Herstellung der optimierten IDTs wird eine Elektronenstrahllithographie in unseren Reinraumanlagen durchgeführt. Das SAW-Ausgangssignal wird experimentell anhand frequenzabhängiger elektrischer Übertragungsmessungen charakterisiert.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Matthias Küß. → @

 

 

► Nichtreziproke Wechselwirkungen akustischer Oberflächenwellen mit Spinwellen

Akustische Oberflächenwellen (SAWs) sind Erdbeben mit Wellenlängen und Frequenzen im µm- und niedrigen GHz-Bereich. Diese akustischen Wellen können aufgrund des piezoelektrischen Effekts effizient auf piezoelektrischen Kristallen eingekoppelt und detektiert werden. Dies werden beispielsweise in unseren Mobiltelefonen vielfältig als Hochfrequenz-Bandpassfilter eingesetzt. SAWs sind von Natur aus reziprok, was bedeutet, dass sich die Welleneigenschaften (Amplitude, Phase oder Frequenz) bei der Umkehrung ihrer Ausbreitungsrichtung nicht ändern. Spinwellen (SWs) sind Wellen der magnetischen Momente in einem magnetischen Materialien. Im Gegensatz zu SAWs können SWs nichtreziprokes Verhalten zeigen.
Durch die Kopplung von SAWs mit SWs in piezoelektrischen/ferromagnetischen Heterostrukturen können die SAWs die nichtreziproken Eigenschaften von SWs übernehmen. Dies eröffnet die Perspektive, neuartige Geräte für die Hochfrequenzsignalverarbeitung zu bauen, beispielsweise magnetoakustische Isolatoren und Zirkulatoren. Für große SAW-SW-Wechselwirkungen muss die Resonanzbedingung erfüllt sein (Anpassung von Frequenz und Wellenvektor), die stark von den Eigenschaften des magnetischen Dünnfilms abhängt, in dem die SWs angeregt werden. Daher können die Eigenschaften magnetischer Dünnfilme mittels SAW-SW-Spektroskopie untersucht werden.

Das Ziel dieser Studie ist es, i) verschiedene magnetische Dünnfilme mittels Magnetron-Sputtern-Deposition herzustellen und ii) die magnetischen Eigenschaften mittels SQUID-VSM-Magnetometrie und SAW-SW-Spektroskopie zu charakterisieren.

 

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► Piezoelektrische ZnO-Dünnfilme für Oberflächenwellenanwendungen

Akustische Oberflächenwellen (SAWs) sind Erdbeben in sehr kleinem Maßstab und werden beispielsweise als Teil von Zirkulatoren für die HF-Signalverarbeitung verwendet, z.B in Ihrem Smartphone. Die Kombination von SAWs mit magnetischen Dünnfilmen ist ein interessantes Forschungsgebiet, das im Vergleich zu bestehenden Technologien kleinere Größen und einen geringeren Energieverbrauch verspricht. Zur Anregung von SAWs werden üblicherweise piezoelektrische Substrate verwendet. Für die Integration mit verschiedenen magnetischen Filmen können wir jedoch kein piezoelektrisches Substrat verwenden. In diesem Fall ist die Verwendung einer piezoelektrischen Filmschicht eine Alternative. Ein möglicher Kandidat ist Zinkoxid (ZnO), das piezoelektrische Eigenschaften besitzt und durch gepulste Laserabscheidung abgeschieden werden kann.

In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten des ZnO-Dünnfilmwachstums durch gepulste Laserabscheidung analysiert. Im ersten Schritt werden Sie ZnO-Filme auf geeigneten Substraten abgeschieden und deren piezoelektrische Eigenschaften gemessen und optimiert. Hierzu nutzen Sie Röntgenbeugung, Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie sowie einen vorhandenen SAW-Transmissionsaufbau. Sobald es Ihnen gelingt, ZnO-Dünnfilme mit der gewünschten Qualität zu präparieren, kann der ZnO-Film mit verschiedenen magnetischen Dünnfilmen kombiniert werden. Ein interessantes Material sind beispielsweise Granate, da sie sich ideal zur Anregung magnetischer Spinwellen eignen. In Ihrer Abschlussarbeit können Sie versuchen, einen Granatfilm und einen piezoelektrischen Film zu kombinieren, um die Wechselwirkung von SAWs und Spinwellen in Granaten zu untersuchen.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Matthias Küß. → @

 

 

► Herstellung und Charakterisierung ferrimagnetischer Monolagen

Ferrimagnetische Materialien weisen einzigartige magnetische Strukturen mit entgegengesetzten magnetischen Momenten auf, die es ihnen ermöglichen, verschiedene magnetische Objekte zu beherbergen, die als Spintexturen bekannt sind. Ihre kontrollierbaren magnetischen Eigenschaften machen sie besonders interessant für die Entwicklung verschiedener Anwendungen im Bereich der Spintronik. Obwohl Ferrimagnete vielversprechend sind, gibt es noch einige Herausforderungen zu überwinden.

Ziel dieses Projekts ist es, ferrimagnetische Monolagen zu erzeugen und ihre einzigartigen magnetischen Eigenschaften zu untersuchen und zu verstehen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Techniken wie die Magnetron-Sputter-Deposition werden wir diese einzelnen magnetischen Atomlagen herstellen. Anschließend versuchen wir durch die Anwendung unterschiedlicher Charakterisierungsmethoden, wie magneto-optischer Kerr-Effekt-Messungen, SQUID-VSM-Magnetometrie, Magnetkraftmikroskopie und Hall-Effekt-Messungen, das charakteristische Verhalten dieser Monolagen zu analysieren und zu interpretieren.

Am Ende dieses Projekts werden Sie umfangreiche Erfahrungen in der Materialabscheidung und den Charakterisierungstechniken sammeln können.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Tamer Karaman. → @

 

 

► Untersuchung der Topologie und Chiralität in amorphen ferrimagnetischen Materialien

Motivation: Skyrmionen sind winzige, wirbelartige magnetische Strukturen, die im Nanomaßstab mit nicht trivialer Topologie existieren. Skyrmionen haben große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, weil sie das Potenzial haben, spintronische Informationsspeicherung sowie neuromorphe und Reservoir-Computing-Technologien zu revolutionieren. Um diese Vision zu verwirklichen, sind jedoch neue Materialien erforderlich, in denen informationstragende topologische magnetische Spintexturen gleichzeitig klein und schnell sein müssen. Amorphe Ferrimagnete mit Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) sind hierfür einer der vielversprechendsten Kandidaten, wurden jedoch bisher nur wenig untersucht.

 

Der Schwerpunkt dieses Projekts liegt auf der Herstellung und Charakterisierung dieser Materialien. Die Herstellung der dünnen Filme erfolgt über Magnetron-Sputter-Abscheidung. Die erzeugten Filme werden mittels Lorentz-Transmissionselektronenmikroskop (siehe Bild der magnetischen Induktion) und SQUID-VSM Magnetomtrie untersucht. Mit diesen Methoden können die Chiralität und die Topologie der magnetischen Spintexturen aufgeklärt werden.
Dieses Projekt bietet die Möglichkeit, Ihr Fachwissen in diesem Bereich zu erweitern:

 

• Ein tieferes Verständnis der grundlegenden Quantenmechanik, Oberflächenwissenschaft, Quantenmaterialsynthese und Techniken für elektrische und optoelektronische Messungen.
• Die Nutzung modernster Technologien, wie z. B. Tieftemperatur-Versuchsaufbauten, schließlich können Sie die Aufbauten selbst betreiben.
• Darüber hinaus besteht die Möglichkeit an synchrotronbasierten Experimenten teilzunehmen.

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Tamer Karaman. → @

 

 

► Herstellung und Charakterisierung von L1₀-Fe(NiPt) Strukturen

Die L1₀-Kristallphase von FePt ist ein ferromagnetisches Material mit einer sehr hohen magnetischen Anisotropie. Es gilt daher als vielversprechender Kandidat für zukünftige digitale Speichermedien basierend auf der HAMR-Technik; derartige Festplatten mit beachtlicher Speicherdichte sind bereits auf dem freien Markt erhältlich. Ein strukturell ähnliches Material ist das ferromagnetische L1₀-FeNi System, das als potenzieller Ersatz für die derzeit verwendeten Supermagnete gilt, die auf Seltenen Erden basieren. Die Herstellung erweist sich allerdings als extrem schwierig. Ein schrittweises Ersetzen von Pt durch Ni in der L1₀-FePt Phase könnte eine Legierung mit höherem Ni-Anteil stabilisieren, die ähnlich vielversprechende Eigenschaften aufweist.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Johannes Seyd. → @

 

 

► Hoch-Entropie Garnets

Granate sind sehr interessante magnetische Materialien, die speziell für die Ausbreitung von Spinwellen, sogenannter Magnonen, von großem Interesse sind. Der Einsatz von Magnonen in dünnen Granatschichten beispielsweise für zukünftige Computeranwendungen verspricht einen sehr geringen Energieverbrauch und kleine Strukturgrößen. Im Allgemeinen haben Granate die Strukturformel R₃Fe₅O₁₂ mit 3 Seltenerdionen, 5 Eisenionen und 12 Sauerstoffionen pro Formeleinheit. Unter Verwendung eines Hochentropie-Ansatzes verwenden wir eine Mischung verschiedener seltener Erden (z.B. Gd, Y, Bi, Tm, Sm) oder ersetzen einige Eisen-Ionen (z.B. durch Ni oder Co) und versuchen, einen neuartigen Granat mit kontrollierbaren magnetischen Eigenschaften herzustellen.

 

In dieser Arbeit versuchen Sie diese neuartigen Granatschichten mithilfe der gepulsten Laserdeposition auf geeigneten Substraten abzuscheiden. Zunächst werden Sie versuchen, einen dünnen Film auf Standardsubstraten wachsen zu lassen und die strukturellen und magnetischen Eigenschaften der gewachsenen dünnen Filme zu charakterisieren. Dazu verwenden Sie verschiedene Methoden, darunter Röntgenbeugung, Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie sowie SQUID-VSM-Magnetometrie.

 

Kontakt: Bei Interesse bitte melden bei Christian Holzmann. → @

 

 

► Vergleich der Eigenschaften eines Hoch-Entropie Perowskits als Volumenmaterial mit dünnen Schichten

Hoch-Entropie Materialien sind Materialien, die aufgrund ihrer hohen Entropie einphasig kristallisieren. Die Entropie ist der dominierende Faktor zur Minimierung der Gibbs-freien Energie (G = H – TS). In diesem Projekt beschäftigen wir uns mit Perowskiten mit hoher Entropie und untersuchen den Einfluss der verschiedenen Elemente auf die magnetischen Eigenschaften.

Ziel der Arbeit ist die Herstellung unterschiedlicher Perowskite mit hoher Entropie durch Festkörperreaktion. Anschließend werden diese hochentropischen Perowskite durch gepulste Laserabscheidung als dünne Schicht auf geeigneten Substraten abgeschieden. Diese dünnen Filme werden strukturell mit Rasterkraftmikroskopie und Röntgenbeugung sowie magnetisch mit SQUID-VSM-Magnetometrie untersucht.

 

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► Wachstum und Charakterisierung von epitaktischen Co₃O₄ Dünnschichten

Co₃O₄ gehört zu der Familie der Spinelle (AB₂X₄) und besitzt eine kubische Struktur. Außerdem ist es ein Antiferromagnet, dass heißt die magnetischen Spins ordnen sich antiparallel zueinander an (siehe Abbildung). Diese Antiferromagnete rücken gerade in den Fokus der Forschung, da sie für spintronische Anwendungen geeignet sein können.

Das Ziel der Arbeit ist es dünne epitaktische Co₃O₄-Schichten, mittels gepulster Laserdeposition, herzustellen und diese auf die strukturellen Eigenschaften, mittels Röntgenbeugung (XRD) und Rasterkraftmikroskopie (AFM), zu untersuchen. Außerdem werden die gewachsenen Filme auf ihre magnetischen Eigenschaften mit einem SQUID-VSM Magnetometer untersucht. Zu den ersten Schritten der Arbeit gehört ein Target herzustellen, welches dann für das Schichtwachstum verwendet wird. Als nächstes werden verschiedene Substratmaterialien ausprobiert, um möglichst einkristalline Filme zu erhalten.

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► Einfluss einer Keimschicht auf die magnetischen Eigenschaften des ferrimagnetischen Fe/Gd-Skyrmionensystems

Unsere Forschung beschäftigt sich unter anderem mit der Erforschung topologisch geschützter, magnetischer Spinstrukturen. Diese sogenannten Skyrmionen können beispielsweise im ferrimagnetischen [Fe/Gd] Multilagensystem durch dipolare Wechselwirkung stabilisiert werden. Bei der Herstellung dieser Dünnschichten mittels Magnetron-Sputterdeposition wird die Multischicht auf eine Keimschicht auf dem Substrat abgeschieden. Im Rahmen dieser Arbeit sollen mehrere Proben mit unterschiedlichen Keimschichten jedoch identischen Fe/Gd-Multischichten hergestellt werden, welche daraufhin mittels SQUID-VSM Magnetometrie, Magnetischer Kraftmikroskopie (MFM), sowie Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie (LTEM) charakterisiert werden. Die Untersuchung des Einflusses der Keimschicht auf die magnetischen Eigenschaften des Systems steht hier im Vordergrund.

 

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