Optimierte Heusler Verbindungen für die Spintronik durch Kontrolle der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
Final Report Abstract
Ziel dieses Projektes war es, ein fundamentales Verständnis für die intrinsischen (wie elektronische Struktur, Anisotropien) und extrinsischen Beiträge (z.B. strukturelle Ordnung, Phasenseparationen) zu funktionalen Materialeigenschaften hoch spinpolarisierter Heusler Materialien und damit eine Kontrolle dieser Funtionalitäten zu erlangen. Mein Konzept zum Verständnis und zur Kontrolle von Materialeigenschaften beinhaltet drei Säulen: (1) Modellsysteme: Synthese, Kristallzüchtung, (2) Lokale strukturelle und magnetische Ordnung: Messung der kernmagnetischen Resonanz und (3) Verstehen und Kontrollieren der physikalischen Eigenschaften. Der Schlüssel zum Verständnis von funktionalen Materialeigenschaften wie hoher Spinpolarisation liegt bereits in der Synthese beziehungsweise Kristallzüchtung hochwertiger Proben der jeweiligen Materialien. Die Technik des Zonenschmelzens ist die Methode der Wahl für die Untersuchung von intrinsischen Materialeigenschaften von Heusler Verbindungen. So zeigen mit Zonenschmelzen erhaltene Proben von Co2Cr0.6 Fe0.4 Al eine spinodale Entmischung, hervorgerufen durch eine Mischungslücke im festen Zustand. Durch diese Entdeckung lassen sich nun die Abweichungen vom vorhergesagten Verhalten insbesondere in dünnen Filmen, wie z.B. das zu niedrige Moment und die zu niedrige Spinpolarisation, endlich verstehen. Am Beispiel der halbmetallisch ferromagnetischen Heusler Verbindung Co2Cr0.6 Fe0.4 Al konnten wir zeigen, dass unter Ausnutzung der Phasenbeziehungen und der Vorteile des Zonenschmelzens, Proben mit völlig neuer und unerwarteter Mikrostruktur und damit neuen, interessanten Eigenschaften erhalten werden können. Zonenschmelz-Experimente führten zur Ekenntnis eines Teils des Phasendiagramms. Dadurch können Vorhersagen im System Co-Cr-Fe-Al getroffen werden und damit ein neuer Kandidat mit optimierten Eigenschaften für die Spintronik vorhergesagt werden. Ordnungs-Unordnungs-Phänomene haben enormen Einfluss auf die Materialeigenschaften. Eine ideale Methode zur deren Untersuchung und damit zum Verständnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen insbesondere in magnetischen Heusler Verbindungen ist die Messung der Kernspinresonanz. Dabei unterscheidet sich die NMR an Ferromagneten von herkömmlicher NMR. Neben den strukturellen Eigenschaften lassen sich mittels NMR auch die lokalen magnetischen und elektronischen Eigenschaften von Materialien untersuchen. Dies konnten wir z.B. durch Messung der lokalen strukturellen und magnetischen Struktur in Co2 MnSi Filmen, hergestellt bei unterschiedlichen Temperaturen, zeigen. Die dritte Säule meines Konzeptes ist die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Materialien, wie die magnetischen und thermodynamischen Eigenschaften. So konnten wir vor kurzem den halbmetallischen Ferromagnetismus bei tiefen Temperaturen in Co2 FeSi Einkristallen über Transportmessungen nachweisen. Oberhalb ca. 100 K liegt kein halbmetallischer Ferromagnetismus mehr vor, sondern lediglich konventioneller Ferromagnetismus. Alle Ergebnisse des Projektes tragen signifikant dazu bei das Forschungsfeld der Heusler Verbindungen weiter voranzutreiben. Der Erfolg des Projektes spiegelt sich wieder in 20 bereits erschienenen und mehreren bereits eingereichten Publikationen mit Schwerpunkt auf der Untersuchung von Heusler Verbindungen.
Publications
- Exploring the details of the martensite-austenite phase transition of the shape memory Heusler compound Mn2 NiGa by hard x-ray photoelectron spectroscopy, magnetic and transport measurements. Appl. Phys. Lett. 98, 252501 (2011)
C.G.F. Blum, S. Ouardi, G.H. Fecher, B. Balke, X. Kozina, G. Stryganyuk, S. Ueda, K. Kobayashi, C. Felser, S. Wurmehl, B. Büchner
- Epitaxial films of Heusler compound Co2 FeAl0.5 Si0.5 with high crystalline quality grown by offaxis sputtering. Appl. Phys. Lett. 103, 162404 (2013)
B. Peters, A. Alfonsov, C. G. F. Blum, S. J. Hageman, P. M. Woodward, S. Wurmehl, B. Büchner, and F. Y. Yang
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4825338) - Facile nanotube-assisted synthesis of ternary intermetallic nanocrystals of the ferromagnetic Heusler phase Co2 FeGa. Cryst. Growth and Design 13, 2707 (2013)
M. Gellesch, M. Dimitrakopoulou, M. Scholz, C. G.F. Blum, M. Schulze, J. van den Brink, S. Hampel, S. Wurmehl, and B. Büchner
(See online at https://doi.org/10.1021/cg400405k) - Half-Metallic ferromagnetism with unexpectedly small spin splitting in the Heusler compound Co2FeSi. Phys. Rev. Lett. 110, 066601 (2013)
D. Bombor, C. G. F. Blum, O. Volkonskiy, S. Rodan, S. Wurmehl, C. Hess, and B. Büchner
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.066601) - NMR study of the impact of annealing on structural evolution of epitaxial Co2 MnSi Heusler films. Appl. Phys. Lett. 102, 242404 (2013)
S. Rodan, A. Alfonsov, M. E. Belesi, F. Ferraro, J. T. Kohlhepp, H. J. M. Swagten, B. Koopmans, Y. Sakuraba, S. Bosu, K. Takanashi, B. Büchner, S. Wurmehl
- Phase dynamics and growth of Heusler compounds: A key to understand their anomalous physical properties. Cryst. Growth and Design 13, 3925 (2013)
A. Omar, M. Dimitrakopoulou, C. G. F. Blum, H. Wendrock, S. Rodan, S. Hampel, W. Löser, B. Büchner, and S. Wurmehl
- Effect of annealing on spinodally decomposed Co2 CrAl grown via floating zone technique. J. Cryst. Growth 401, 617 (2014)
A. Omar, C.G.F. Blum, W. Löser, B. Büchner, S. Wurmehl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.11.103) - Spin density wave order and fluctuations in Mn3 Si : A transport study. Phys. Rev. B 90, 134411 (2014)
F. Steckel, S. Rodan, R. Hermann, C. G. F. Blum, S. Wurmehl, Bernd Büchner, and C. Hess
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.134411) - Local magnetism and structural properties of Heusler Ni2 MnGa alloys. Phys. Rev. B 91, 134415 (2015)
M. Belesi, L. Giebeler, C. G. F. Blum, U. K. Rößler, B. Büchner, and S. Wurmehl
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.134415) - Nuclear magnetic resonance study of thin Co2 FeAl0.5 Si0.5 Heusler films with varying thickness. Phys. Rev. B 91, 064421 (2015)
A. Alfonsov, B. Peters, F. Y. Yang, B. Büchner, and S. Wurmehl
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.064421)
