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Magnetische Eigenschaften des Legierungssystems Fe-Pt : Volumenmaterialien und Nanopartikel

Antoniak, Carolin LSF

Neben der Bestimmung magnetischer Eigenschaften epitaktischer FexPt1-x-Schichten wie z.B. Anisotropie, effektive Magnetisierung, Austauschlänge und Dämpfung als Referenzdaten, wurden nass-chemisch hergestellte FexPt1-x-Nanopartikel sphärischer Gestalt mit verschiedenen Größen, Zusammensetzungen und Kristallstrukturen systematisch untersucht, deren Oxide zunächst mittels eines Wasserstoff-Plasmas reduziert wurden. Organische Liganden, die die Partikel nach dem Herstellungsprozess umgeben, wurden dabei entfernt. Diese Liganden verhindern die Agglomeration der Nanopartikel bei Aufbringen auf ein Substrat, haben jedoch keinen messbaren Einfluss auf die Stärke der Oxidation an Luft oder die magnetischen Eigenschaften oxidierter Nanopartikel. Statische und dynamische magnetische Eigenschaften wurden mittels Ferromagnetischer Resonanz und Messungen der Röntgenabsorption, insbesondere des Effekts des Röntgenzirkulardichroismus, bestimmt. Die Analyse der elementspezifischen magnetischen Momente zeigte, dass das effektive magnetische Spinmoment der Nanopartikel im Vergleich zu dem in 50nm dicken Schichten gleicher Zusammensetzung um 20–30% reduziert ist, was mit der inhomogenen Verteilung von Fe- und Pt-Atomen in den Partikeln erklärt werden kann, die durch Analysen der kantenfernen Röntgenabsorptions-Feinstruktur gefunden wurde. Des Weiteren nimmt das effektive Spinmoment der Fe-Atome mit abnehmender Partikelgröße weiter ab, während das Verhältnis von magnetischem Bahnmoment zum effektiven magnetischen Spinmoment zunimmt. Tempern einer Probe mit 6nm großen FePt-Nanopartikeln bei einer Temperatur von 600°C, bei der der Übergang zur chemisch geordneten Phase mit L10-Symmetrie stattfinden sollte, führte zu einer noch stärker ausgeprägten Erhöhung des Verhältnisses von magnetischem Bahn- zum effektiven Spinmoment der Fe-Atome: Es erreicht einen Wert von ca. 9% und ist damit so groß wie in den Pt-Atomen dieser Partikel. Dies ist verbunden mit einer Erhöhung des Koerzitivfeldes von (36 ± 5)mT auf (292 ± 8)mT bei T = 15K nach dem Tempern, die durch eine Vergrößerung der effektiven Anisotropie von 5.5e4 J/m^3 auf 3.85e5 J/m^3 aufgrund des (teilweisen) Einstellens der chemisch geordneten Phase erklärt werden kannn. Bei sehr kleinen Partikeln, wie den hier untersuchten Fe0.70Pt0.30-Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 2.5nm, zeigt die effektive Anisotropie eines Ensembles eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit aufgrund thermischer Fluktuationen, die mit der Methode der Ferromagnetischen Resonanz gemessen wurde. Die Dämpfung der Präzession der Magnetisierung in solchen Messungen nimmt dabei mit steigendem Pt-Gehalt zu, was auch für die Dämpfung in den FexPt1-x-Schichten gilt.

Besides the determination of magnetic properties of epitaxial grown FexPt1-x films like e.g. the magnetic anisotropy, effective magnetisation, exchange length and damping as reference data, wet-chemically synthesised spherical FexPt1-x nanoparticles with different sizes, compositions and crystal structures were examined systematically after the reduction of Fe oxides by a hydrogen plasma treatment. Organic ligands surrounding the particles after the synthesis, were removed as well during this procedure. These ligands prevent the agglomeration of the nanoparticles when deposited onto a substrate, but do not have any measurable effect on the oxide formation under air exposure and do not change the magnetic properties of oxidised nanoparticles within experimental error bars. Static and dynamic magnetic properties were determined using the ferromagnetic resonance technique and themeasurement of the x-ray absorption, especially the analysis of the x-ray circular dichroism. The analysis of the element-specific magnetic moments shows that the effective magnetic spin moment of the FexPt1-x nanoparticles is reduced by 20–30% with respect to the one of the corresponding FexPt1-x films due to the inhomogeneous composition within the nanoparticles which was found by the analysis of the extended x-ray absorption fine structure. With decreasing particle size, the effective magnetic spin moment is further decreasing while the ratio of orbital-to-effective-spin magnetic moment increases. Annealing at 600°C of a sample consisting of FePt nanoparticles with a mean diameter around 6nm yields a strong increase of the ratio of orbital-to-spin magnetic moment at the Fe sites: it reaches a value of about 9% and is as large as the value at the Pt sites. This is accompanied by an enhancement of the coercive field from (36 ± 5)mT to (292 ± 8)mT after annealing that can be explained by an increase of the effective anisotropy from 5.5e4 J/m^3 to 3.85e5 J/^3 due to the (partial) transformation to the chemically ordered phase. The effective anisotropy of very small Fe0.70Pt0.30 nanoparticles with a mean diameter of 2.5nm show a strong temperature dependence due to thermal fluctuations which was measured using the ferromagnetic resonance technique. The damping of the magnetisation precession in such measurements is increasing with increasing Pt content in agreement to the composition dependence of the damping in FexPt1-xfilms.

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Zitierform:

Antoniak, Carolin: Magnetische Eigenschaften des Legierungssystems Fe-Pt. Volumenmaterialien und Nanopartikel. 2007.

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