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.