Single nanoparticle magnetism : hysteresis of monomers, dimers and many-particle ensembles

Duisburg, Essen (2011)
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
In dieser Arbeit werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften einzelner selbstorganisierter Fe- und FexPt1-x-Nanopartikel untersucht und korreliert. Die strukturelle Oberflächenrelaxation von kuboktaedrischen FexPt1-x-Nanopartikeln wurde lagenaufgelöst mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) untersucht. Eine oszillatorische Relaxation von mehreren Prozent wurde erstmalig beobachtet und die starke Aufweitung der äußersten Lage einem experimentell bedingten Kohlenstoff-Einfluss zugeordnet. Die magnetischen Eigenschaften kubischer Nanopartikel kleiner 20nm wurden mittels Photoemissionselektronen-Mikroskopie unter der Verwendung von zirkular polarisierter Röntgenstrahlung untersucht. Hysteresekurven individueller und aus wenigen Partikeln bestehender Konfigurationen wurden erstmalig bei Raumtemperatur und 110K sowie in verschiedenen Orientierungen des Magnetfeldes (bis zu 100mT) aufgenommen. Das Koerzitivfeld eines einzelnen ~18nm Fe Nanowürfels bei Raumtemperatur konnte bestimmt werden (~2.5mT). Mittels des XMCD-Effekts wurde eine im Vergleich zum Volumenmaterial um 50% reduzierte Magnetisierung in den Fe Nanowürfeln gemessen und durch thermische Magnetisierungsfluktuationen über den Zeitraum der Messungen erklärt. Desweiteren wurde eine an einen positiven Exchange Bias erinnernde Verschiebung der Hysteresekurve in Fe Nanowürfel-Konfigurationen beobachtet. Dabei bieten weder die gängigen Exchange Bias Modelle noch die magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Nanowürfeln eine hinreichende Erklärung dieses Effekts. Das komplexe Zusammenspiel von Struktur und Magnetismus der Nanopartikel wurde mittels mikromagnetischer Simulationen untersucht. Hierbei wurde die durch TEM ermittelte drei-dimensionale Morphologie in den Rechnungen berücksichtigt und eine starke Abhängigkeit gefunden. Beispielsweise resultieren 10% Elongation in einer Vergrößerung des Koerzitivfeldes um eine Größenordnung. Die in dieser Arbeit durchgeführten Messungen an verschiedensten Nanopartikelsystemen verdeutlichen die Möglichkeit, den Magnetismus auf der Skala weniger Nanometer mittels verschiedener röntgenmikroskopischer Methoden (Röntgen-Photoemissionselektronen-Mikroskopie (XPEEM) und Magnetischer Röntgen-Transmissions-Mikroskopie (MTXM)) vollständig zu charakterisieren.