Skyrmionische Eigenschaften von epitaktischen MnSi- und MnGe-Filmen – Untersuchungen mit Magnetotransport- und Hall-Effekt-Messungen
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.
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