Aufgrund der Kritikalität der Metalle der Seltenen Erden ist die Synthese von seltenerdfreien Permanentmagneten in den Forschungsfokus gerückt. Hartmagnetische intermetallische Phasen auf Mangan-Basis wie MnBi und MnGa sind vielversprechende seltenerdfreie Kandidaten, insbesondere als Bestandteil austauschgekoppelter Systeme in Verbindung mit einer weichmagnetischen Phase. In dieser Arbeit wurden das Wachstum und die magnetischen Eigenschaften von hartmagnetischen texturierten Dünnschichten von MnBi und MnGa sowie deren austauschgekoppelte Doppelschichten mit einer weichmagnetischen FeCo-Phase untersucht, um die magnetischen Eigenschaften weiter zu verbessern.

Zuerst wurde das Wachstum von c-Achse orientierten mittels Magnetronsputterns hergestellter MnBi Dünnschichten untersucht. Diese wurden unter der Verwendung einer neuen Einzelschicht-Wachstumsmethode von einem Legierungs-Sputtertarget auf Quarzglas-Substraten abgeschieden. Bei allen vorhergehenden Studien wurden sequentielle (Mn/Bi)n Schichten gewachsen. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal das Wachstum von einschichtigen Niedertemperatur-Phasen (LTP) MnBi Dünnschichten mit einem anschließenden Wärmebehandlungsschritt untersucht, durch den eine signifikante Verbesserung der kristallinen Textur erzielen wurde. Dieser neue Ansatz führte zu einer hohen Kristallinität bei einer Glühtemperatur von 415 °C, wodurch die Sättigungsmagnetisierung drastisch auf bis zu 600 emu/cm3 erhöht wurden konnte. In diesen Schichten wurde eine sehr hohe senkrechte magnetische Anisotropie von 1.86 MJ/m3 beobachtet. Die Wirkung von verschiedener Ausgangsstöchiometrien des Sputtertargets wurde ebenfalls untersucht. Eine etwas höhere Menge an Mn (Mn55Bi45 (at.%)) führt zu der höchsten Sättigungsmagnetisierung in den betrachteten MnBi Dünnfilmen. Die LTP-MnBi Dünnschichten weisen des Weiteren eine hohe Curie Temperatur von etwa 510 K und einen positiven Temperaturkoeffizienten sowohl für die magnetische Anisotropie als auch für die Koerzitivkraft auf.

Aufbauend auf den beschriebenen dünnen Schichten von MnBi wurde die Austauschkopplung in MnBi/FeCo Doppelschichtsystemen untersucht. Dabei wurde der Einfluss der weichmagnetischen Schichtdicke und zweier verschiedener FeCo-Stöchiometrien (Fe-reiche und Co-reiche Zusammensetzung) untersucht. Magnetische Messungen zeigten, dass Co-reiche Stöchiometrien sich zugunsten der Austauschkopplung auswirken. Ergänzende DFT-Rechnungen haben die Bildung einer polykristallinen FeCo Schicht mit koexistierenden kristallinen und ungeordneten (110)-Phasen vorhergesagt. HRTEM Auswertungen zeigten, dass die auf einer MnBi-Dünnschicht aufgewachsenen FeCo Schichten eine kristalline (110) Orientierung mit einem ungeordneten Bereich nahe der hart/weichmagnetischen Grenzfläche zeigen. Dies führte zu einer rauen Grenzfläche, die die Austauschkopplung schon bei einer FeCo Schichtdicke über 1 nm verschlechtert. Mikromagnetische Simulationen zeigen, dass sowohl die Dicke der FeCo-Schicht als auch die Rauheit der Grenzfläche die Wirksamkeit der Austauschkopplung im MnBi/FeCo-System determinieren.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden epitaktische (001) MnGa Dünnschichten bei verschiedenen Substrattemperaturen auf Cr-gepufferten MgO(100) Substraten abgeschieden. Die L10-MnGa Dünnschichten, die bei einer Substrattemperatur von 450 °C gewachsen wurden, zeigen den höchsten Wert der Sättigungsmagnetisierung von 840 emu/cm3 und eine hohe senkrechte magnetische Anisotropie von 2.1 MJ/m3. Die MnGa Dünnschichten besitzen eine Curie-Temperatur von 530 K und einen negativen Temperaturkoeffizienten für die magnetische Anisotropie und Koerzitivkraft. Im Vergleich zum MnBi/FeCo System zeigt das MnGa/FeCo System eine deutlich verbesserte Austauschkopplung. DFT Rechnungen zeigen, dass eine Co-terminierte und Co-reiche FeCo-Schicht zu einer Erhöhung der Austauschkopplung führt. TEM-Untersuchungen bestätigen eine (001) epitaktisch gewachsene Doppelschicht mit einer scharfen Grenzfläche. Das epitaktische Wachstum wird durch die geringe Gitterfehlanpassung der beiden Materialien begünstigt. Die atomar scharfe Grenzfläche führt zu einer kohärenten Austauschkopplung bis zu einer maximalen Schichtdicke der weichmagnetischen Schicht von 2 nm.