Supermagnetism in magnetic nanoparticle systems

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Bedanta_Subhankar_Dissertation.pdf26.02.2007 11:40:413,91 MB
Magnetische Materialien auf der Nanoskala sind von hohem Interesse in zahlreichen Anwendungen, wie z.B. Ferrofluiden, Speichermedien, Hochfrequenzelektronik, Permanentmagneten und magnetischen Kühlmitteln. So sind insbesondere magnetisch eindomänige Nanopartikel ("superspins") nicht nur für Anwendungen, wie z.B. in der Speichertechnologie interessant, sondern auch für das Grundlagenverständnis im Magnetismus. In einem Ensemble von Nanopartikeln mit genügend kleiner magnetischer Wechselwirkung zwischen den Partikeln, zeigt das System superparamagnetisches (SPM) Verhalten, welches durch das Néel-Brown- Modell beschrieben werden kann. Umgekehrt, wenn die Inter-Partikel-Wechselwirkungen nicht vernachlässigbar sind, zeigt es kollektives Verhalten, welches dabei die individuellen Anisotropieeigenschaften der Partikel überwindet. Um diesem Effekt der Wechselwirkungen nachzugehen, haben wir zwei unterschiedliche Nanopartikelsysteme untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Eigenschaften von Ensembles von magnetisch eindomänigen Nanopartikeln in einer isolierenden Matrix. Die Proben haben eine granulare Multilagenstruktur, die als diskontinuierliche Metall-Isolator-Vielfachschichten (DMIMs) der Form [Co80Fe20 (tn)/Al2O3(3nm)]m hergestellt werden. Die nominelle Dicke der CoFe-Schicht liegt dabei im Bereich 0.5 £ tn £ 1.8 nm und die Anzahl der Bilagen im Bereich 1 < m < 10. Diese DMIMs stellen ein hervorragendes Modell-System zum Untersuchen des Effekts der Inter-Partikel-Wechselwirkungen dar. Die nominelle Dicke entspricht hierbei der Partikelkonzentration. Die strukturellen Eigenschaften wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikoskopie (TEM), Kleinwinkel-Röntgen-Streuung und elektrischen Transportmessungen studiert. So findet man, dass das CoFe getrennte und nahezu sphärische Nanopartikel in der Al2O3-Matrix bildet, und das ganze System eine exzellente Multilagenstruktur aufweist. Die magnetischen Eigenschaften wurden mittels DC-Magnetisierung, AC-Suszeptibilität, DCRelaxation, magneto-optischem Kerr-Effekt (MOKE) und ferromagnetischer Resonanz untersucht. Im DMIM-System mit der niedrigsten nominelle Dicke, tn = 0.5 nm, und somit kleinster Inter-Partikel-Wechselwirkung wurde individuelles Blocking (SPM-Verhalten) gefunden. Bei einem größeren Wert von tn = 0.7 nm, und somit stärkeren Wechselwirkungen, zeigt das System spinglas-artiges kooperatives Einfrieren der magnetischen Partikelmomente bei niedrigen Temperaturen. Diese 'Superspinglas'- Eigenschaften wurden nachgewiesen durch statische und dynamische Untersuchungen, wie z.B. den Memory- und Rejuvenation-Effekt. Bei weiterer Vergrößerung der nominellen Dicke und somit stärkeren Wechselwirkungen zeigt das Ensemble einen superferromagnetischen (SFM) Zustand. Dieser SFM-Domänen-Zustand wurde nachgewiesen durch eine Cole-Cole-Plot-Analyze der AC-Suszeptibilität und durch polarisierte Neutronenreflektometrie (PNR). Es ist sogar gelungen diese SFM-Domänen direkt durch Photoelektronen-Emissionsmikroskopie (PEEM) an einem Synchrotron und MOKE-Mikroskopie darzustellen. Sichtbar sind Streifendomänen entlang der leichten planaren Achse, jedoch mit unregelmäßigen Wänden und loch-artigen Strukturen ("Domänen in Domänen") Wie erwartet wachsen bzw. schrumpfen die Domänen vorzugsweise durch seitliche Bewegung der langen Wände in einem longitudinalen Feld. Der SFM-Domänenzustand kann erklärt werden durch Dipol- und Tunnelaustausch-Wechselwirkung der Partikel sowie Wechselwirkungen über atomare magnetische Cluster. Diese extrem kleinen Cluster wurden durch deren paramagnetischen Beitrag zunächst in Systemen mit tn = 0.5 nm und 0.7 nm nachgewiesen, dann aber auch in SFM-Systemen mit tn = 1.3 nm. In beiden Fällen sind sie nicht durch TEM nachweisbar. Bei tn = 1.4 nm findet strukturelle Perkolation der Partikel statt und es wird eine gewöhnliche drei-dimensionale (3D) ferromagnetische Phase mit Ohm'schen Widerstand gefunden. PNR und Magnetisierungs-Messungen an der DMIM-Probe mit tn = 1.6 nm zeigen dominante dipolare Kopplung der ferromagnetischen Lagen. So zeigen die PNR Daten nahe der Koerzitivfeldstärke einen neuartigen und unerwarteten Zustand, bei dem ein moduliertes Magnetisierungs-Profil im Multilagenstapel vorzufinden ist. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnten wir zeigen, dass eine Konkurrenz zwischen langreichweitiger und kurzreichweitiger (Néel-) Dipol-Kopplung für diesen Zustand verantwortlich ist. Im zweiten Teil meiner Arbeit wurden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von FeCo-Nanopartikel in flüssigem Hexan mit zwei unterschiedlichen Konzentrationen untersucht. Eine Inter-Partikel SFM-Ordnung wurde mittels Magnetisierungs- und AC-Suszeptibilitäts-Messungen nachgewiesen. Mössbauer- Spektroskopieuntersuchungen zeigen ebenso kollektive Inter-Partikel-Korrelationen.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Physik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Stichwörter:
magnetic nanoparticles, superparamagnetism, superspin glass, superferromagnetism, domain wall motion, magnetic inter-layer coupling, ferrofluids
Beitragende:
Prof. Dr. Kleemann, Wolfgang [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Farle, Michael [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
11.12.2006
Dokument erstellt am:
26.02.2007
Promotionsantrag am:
19.09.2006
Dateien geändert am:
26.02.2007
Medientyp:
Text