Nanostrukturierte magnetische Materialien sind von großem Interesse sowohl für die wissenschaftliche Forschung als auch für die technologische Entwicklung von neuen magnetischen Datenspeichern. Eine vielseitige und technologisch ausgereifte Methode zum Maßschneidern moderner magnetischer Funktionsmaterialien, ist die Herstellung von Dünnschichten in Form von epitaktischen Heterostrukturen. Durch die präzise Kontrolle der epitaktischen Dehnung, also der elastischen Deformation in den Schichten, können die intrinsischen magnetischen Eigenschaften der kohärent gewachsenen Schicht direkt beeinflusst werden. Jenseits des elastischen Verhaltens kann die Deformation eine Instabilität des Kristallgitters verursachen und damit die Energielandschaft des Materials verändern. Dies kann zum Auftreten von neuen, metastabilen Phasen führen und/oder die spontane Bildung von magnetischen Nanostrukturen verursachen.

In der vorliegenden Dissertation wird das binäre Legierungssystem Eisen-Rhodium (Fe-Rh) untersucht und als vielversprechendes Materialsystem für das Maßschneidern der magnetischen Eigenschaften mittels epitaktischer Dehnung vorgestellt. Das System weist zugleich konkurrierende magnetische Austauschwechselwirkungen und inhärente Gitterinstabilitäten auf. Das gemeinsame Auftreten dieser beiden Eigenschaften ermöglicht neuartige Mechanismen der Dehnungsanpassung, die gleichzeitig das magnetische Materialverhalten vorteilhaft beeinflussen können.

In dieser Arbeit wird ein bisher so nicht beschriebenes Dehnungsanpassungsverhalten in FeRh Legierung beobachtet, welches durch epitaktisches Aufwachsen von chemisch ungeordneten FeRh Schichten auf Wolfram (W) Zwischenschichten ausgelöst wird. Die epitaktische Dehnung verursacht eine Gitterinstabilität, so dass sich die tetragonal verzerrte Struktur der Schicht in eine orthorhombische umwandelt. Die resultierende Mikrostruktur der Schicht besteht aus in 90° zueinander orientierten kristallinen Domänen, vergleichbar den adaptiven Martensit Strukturen. Interessanterweise wird durch die Strukturänderung die ferromagnetische (FM) Ordnung des Materials zu Gunsten einer bei tiefen Temperaturen auftretenden Spin Glas (SG) Phase vollständig unterdrückt. Die Untersuchung der Schichtdickenabhängigkeit des Anpassungsmechanismus zeigt eine kohärente, schrittweise Veränderung von der tetragonal verzerrten Struktur in dünnen, hinzu der vollausgeprägten orthorhombischen Martensit Struktur in dickeren Schichten. Durch diese Vorgänge können die Spannungen im Material relaxieren und die gespeicherte elastische Energie kann verringert werden. Die chemische Zusammensetzung der Fe-Rh Legierungen beeinflusst das Auftreten der Gitterinstabilität, jenseits eines Fe Gehalts von 72 at.-% kann die epitaktische Dehnung nicht mehr durch die Bildung der orthorhombischen Phase aufgenommen werden. Stattdessen wird eine kubisch raumzentrierte (krz) Phase gebildet, die das erwartete FM Verhalten zeigt.

Der Einfluss der epitaktischen Gitterfehlanpassung wurde mit Hilfe von Wolfram-Vanadium (W-V) Zwischenschichten untersucht. Dabei wurde eine ausgeprägte Abhängigkeit zwischen der gebildeten Struktur und der Wachstumstemperatur beobachtet. FeRh Filme, die bei Raumtemperatur auf Zwischenschichten mit sukzessiv abnehmender Fehlanpassung (im Vergleich zu reinem W) abgeschieden werden, wachsen in der orthorhombischen Struktur auf. Diese weist allerdings eine zusätzliche richtungsabhängige Verkippung auf, die die Anpassung an die W-V Gitterkonstante letztendlich ermöglicht. Bei erhöhten Wachstumstemperaturen findet jedoch spontan eine laterale Separation in zwei unterschiedliche Phasen statt: Die orthorhombische Phase und eine tetragonal raumzentrierte Phase mit partieller chemischer Ordnung. Durch diese Aufspaltung kann das System die elastische Energie in jeder einzelnen Phase reduzieren. Interessanterweise liegen die beiden strukturell unterschiedlichen Phasen auch in verschiedenen magnetischen Zuständen vor: Die erste verhält sich paramagnetisch (PM), während die zweite FM ist. Diese nano-skalige Anordnung der PM und FM Phase kann als eine dehnungs-induzierte magnetische Nanostruktur beschrieben werden, welche sich spontan durch Selbstassemblierung bildet. Dieser Mechanismus erlaubt es, die neuentdeckte Gitterinstabilität unmittelbar in einen anwendungsorientierten Zusammenhang zu stellen, da auf diese Weise die Dimension der magnetischen Bits in FeRh basierten magnetischen Datenspeichern reduziert werden kann.

Insgesamt erweitern die Ergebnisse dieser Dissertation die bekannten Konzepte zur dehnungs-induzierten und -kontrollierten Bildung von magnetischen Nanostrukturen von den rein nano-verzwillingten Strukturen zu dem hier beschriebenen zweiphasigen System. Die faszinierenden Eigenschaften von bis dato unbekannten metastabilen Phasen im Fe-Rh System weisen den Weg, vergleichbare Untersuchungen in anderen vielversprechenden binären oder ternären Legierungssystemen durchzuführen.