Wachstum und Transporteigenschaften dünner Co-basierter Heusler-Filme

For the advancement of spinelectronicsmuch importance is attached to Heusler compounds. Especially compounds with the stoichiometry Co2YZ are supposed to exhibit a large asymmetry between majority and minority electrons at the Fermi edge. Ideally, only majority states are present. This property leads to high magnetoresistive effects. However, the experimental results available at present fall behind the expectations. In particular, a strong reduction of the spin asymmetry with increasing temperature is problematic. For this reason,rnthe investigation of further representatives of this material class as well as optimization of their deposition is required. Therefore, during the course of this work thin Heusler films with the composition Co2Cr0.6Fe0.4Al and Co2Mn1−xFexSi were fabricated. At first, this was accomplished by sputter deposition, which is the standard technique for the preparation of thin Heuslerrnfilms. It resulted also here in samples with high structural order. On the other hand, these films exhibit only a reduced magnetic moment. To improve this situation, a laser ablation system was constructed. The resulting film deposition under ultra-high vacuum led to a clear improvement especially of the magnetic properties. In addition to the improved deposition conditions, this method allowed the flexible variation of the film stoichiometry as well. This possibility was successfully demonstrated in this work by deposition of epitaxial Co2Mn1−xFexSi films. The availableness of these high quality quaternary alloys allowed the systematic investigation of their electronic properties. Band structure calculations predict that the substitution of Mn by Fe lead to a shift of the Fermi energy over the minority energy gap, whereas the density of states remains nearly unchanged. This prediction could by tested by electronic transport measurements. Especially the normal Hall effect, which was measured at these samples, shows a transition from a hole-like charge transport in Co2MnSi to an electron-like transport in Co2FeSi. This is in accordance with corresponding band structure calculations as well as with comparative XMCD experiments. Furthermore, the behavior of the anomalous Hall effect was studied. Here it could be seen, that the effect is influenced by two mechanisms: On the one hand an intrinsic contribution, caused by the topology of the Fermi surface and on the other hand by temperature dependent impurity scattering. These two effects have an opposing influence on the anomalous Hall effect. This can lead to a sign reversal of the anomalous contribution. This behavior has been predicted just recently and was here systematically investigated for the first time for Heusler compounds.

Heusler-Verbindungen werden für die Weiterentwicklung der Spinelektronik eine große Bedeutung beigemessen. Insbesondere Verbindungen mit der Stöchiometrie Co2YZ sollen an der Fermikante eine hohe Asymmetrie zwischen Majoritäts- und Minoritätselektronen aufweisen. Idealerweise sind nur Majoritätszustände vorhanden. Diese Eigenschaft führt zu hohen magnetoresistiven Effekten. Jedoch blieben die bislang veröffentlichten experimentellen Resultate hinter den Erwartungen zurück. Vor allem die starke Abnahme der Spin-Asymmetrie bei Temperaturerhöhung ist problematisch. Aus diesem Grund bedarf es sowohl der Untersuchung weiterer Vertreter dieser Materialklasse als auch der Optimierung ihrer Herstellung. Im Verlauf dieser Arbeit wurden aus diesem Grund dünne Heusler-Filme der Zusammensetzung Co2Cr0.6Fe0.4Al und Co2Mn1−xFexSi hergestellt. Zunächst geschah dies durch Kathodenzerstäuben, der Standardmethode zur Herstellung dünner Heusler-Filme. Sie lieferte auch hier Proben mit hoher struktureller Ordnung. Andererseits besitzen diese Filme nur ein reduziertes magnetisches Moment. Zur Verbesserung dieser Situation wurde ein System zur Laserablation konstruiert. Die resultierende Filmdeposition unter Ultrahochvakuum führte zu einer deutlichen Verbesserung insbesondere der magnetischen Eigenschaften. Zusätzlich zu den verbesserten Depositionsbedingungen erlaubte diese Methode auch die flexible Variation der Filmstöchiometrie. Diese Möglichkeit wurde in dieser Arbeit durch die Deposition epitaktischer Filme der Legierungsreihe Co2Mn1−xFexSi erfolgreich demonstriert. Die Verfügbarkeit qualitativ hochwertiger Proben dieser quaternären Legierung erlaubte die systematische Untersuchung ihrer elektronischen Eigenschaften. Bandstrukturrechnungen sagen voraus, dass die Substitution von Mn durch Fe zu einer Verschiebung der Fermi-Energie über die Minoritäts-Energielücke führt, wohingegen die Zustandsdichte fast unverändert bleibt. Diese Vorhersage konnte mittels elektronischer Transportmessungen überprüft werden. Insbesondere der normale Hall-Effekt, welcher an diesen Proben gemessen wurde, zeigt einen Übergang von lochartigem Ladungstransport in Co2MnSi zu elektronartigem Transport in Co2FeSi. Dies ist in Übereinstimmung sowohl mit entsprechenden Bandstrukturrechnungen als auch mit vergleichenden XMCD-Experimenten. Außerdem wurde das Verhalten des anomalen Hall-Effekts studiert. Hier zeigte sich, dass der Effekt durch zwei Mechanismen beeinflusst wird: Einerseits einem intrinsischen Beitrag, hervorgerufen durch die Topologie der Fermifläche. Und andererseits durch temperaturabhängige Störstellen-Streuung. Diese beiden Effekte haben einen gegensätzlichen Einfluss auf den anomalen Hall Effekt. Dies kann zu einem Vorzeichenwechsel des anomalen Beitrags führen. Dieses Verhalten wurde erst kürzlich vorhergesagt und wurde hier zum ersten Mal an Heusler-Verbindungen systematisch untersucht.