Coupling Mechanism of Cobalt Ferrite in Matrices - Polymer Solutions and Multiferroics Composites
This thesis focuses on the coupling mechanism of nanostructured cobalt ferrite (CFO)
in different hybrid materials and their response to external stimuli, such as temperature,
magnetic or electric fields.</br> In the first part of this thesis, ferrofluidic materials consisting
of viscous solutions and embedded magnetic nanoparticles are studied offering a wide
range of possible applications. For that purpose, the influence of nanoparticles on mechanical
and rheological properties of solutions, as well as phase transitions, are investigated
by standard magnetometry and AC susceptometry (ACS). To cover a wide range of frequencies,
our ACS setup is combined with the one at the University of Cologne.</br> The
in-field alignment of magnetic nanoparticles and their particle-matrix interaction are investigated
by nanoparticle magnetization dynamics. Brownian motion is identified and
interpreted from ACS spectra, whereby the particle size in solutions is extracted.</br> In the
second part of this thesis, the coupling mechanism of CFO to piezoelectric materials in
multiferroic composites is investigated. Since single-phase multiferroic materials operating
at room temperature are rare in nature, multi-phase composites are studied at the
nanoscale. In recent years, the topic of multiferroics was revitalized by combinations of
nanostructured ferroic materials. Here, a detailed analysis of the magnetoelectric (ME)
effect between magnetostrictive and piezoelectric constituents is given.</br> By pulsed laser
deposition (PLD) CFO is grown in combination with piezoelectric materials, like barium
titanate or bismuth ferrite, in various connectivity schemes: CFO as thin films, as
nanopillars and as particles in a piezoelectric matrix. In the last step, CFO is replaced by
Terfenol-D to enhance the ME coupling coefficient.</br> The second part of this thesis starts
with the preparation technique and synthesis of the multiferroic composites by PLD. The
main focus lies on structural and magnetic characterization and the indirect observation
of the magnetoelectric coupling. The influence of different material compositions and the
preparation technique are studied to obtain a detailed overview of the physical phenomena
that govern the strength of the ME effect.</br> An element-specific characterization is done by
X-ray absorption spectroscopy. For that, electric-field dependent X-ray magnetic circular
dichroism is recorded at the Fe and Co L3,2 absorption edges in the surface-sensitive total
electron yield mode.</br> X-ray linear dichroism is investigated at the Fe and Co L3,2 and Bi
N5,4 absorption edges at different magnetic fields. In addition, the magnetic field dependent
piezoresponse is measured by piezoresponse force microscopy or by magnetic force
microscopy to investigate the magnetoelectric effect.
In both parts of this thesis, dealing with polymeric hybrid materials and multiferroic
composites, the characterization of the constituent itself is given, e.g. structural properties
by X-ray diffraction.</br> Then, the coupling mechanism itself is investigated by magnetometry,
ACS, microscopy or X-ray absorption spectroscopy.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Kopplungsmechanismen von nanostrukturiertem
Cobaltferrit (CFO) in verschiedenen Verbundmaterialien und deren Antwortverhalten
auf äußere Einflussfaktoren, wie Temperatur, magnetische oder elektrische Felder.</br> Im
ersten Teil dieser Arbeit werden Ferrofluide bestehend aus magnetischen Nanopartikeln
in viskosen Trägerflüssigkeiten behandelt. Eingebette Nanopartikel beeinflussen die mechanischen
und rheologischen Eigenschaften, sowie die Phasenübergänge des Verbundmaterials,
welche mittels Magnetometrie und AC Suszeptometrie (ACS) untersucht werden.</br>
Um einen möglichst großen Frequenzbereich abzudecken, kombinieren wir unseren ACS
Aufbau mit den Messungen von der Universität zu Köln. Die magnetische Ausrichtung
der Nanopartikel im Magnetfeld und deren Wechselwirkung mit der Matrix wird mit dynamischen
Messungen untersucht. In den ACS Spektren wird die Brown’sche Bewegung
der Nanopartikel untersucht und damit deren hydrodynamischer Radius extrahiert.</br> Im
zweiten Teil der Arbeit wird die Kopplung von CFO mit einem piezoelektrischen Material
in multiferroischen Systemen untersucht. In der Natur gibt es selten einphasige
multiferroische Systeme, die zudem bei Raumtemperatur einen multiferroischen Effekt
zeigen. Aus diesem Grund fokussieren wir uns im Folgenden auf mehrphasige Komposite.
In den letzten Jahren sind die Multiferroika wieder in den Fokus der Wissenschaft
gerückt, da nanostrukturierte Materialien durch neuartige Präparationstechniken möglich
wurden.</br> Eine detailierte Analyse vom magnetoelektrischen (ME) Effekt zwischen magnetostriktivem
CFO und einem piezoelektrischen Material, wie Bariumtitanat oder Bismutferrit,
wird hier durchgeführt. Dazu wurden Multiferroika mittels gepulster Laserdeposition
(PLD) in verschiedenen Konnektivitäten hergestellt: CFO als dünner Film, als
Nanosäulen und als Partikel in einer piezoelektrischen Matrix. Im letzten Schritt wird
CFO durch Terfenol-D ersetzt um die ME Kopplung zu erhöhen. Teil II beinhaltet die
Herstellung von zweiphasigen multiferroischen Kompositen und die Untersuchung der
strukturellen und magnetischen Eigenschaften, sowie der magnetoelektrischen Kopplung.
</br>Der Einfluss der Konnektivitäten und der Materialkompositionen wird in Hinblick auf die
Größe des magnetoelektrischen Effekts erforscht. Die elementspezifische Röntgenabsorptionsspektroskopie
wird genutzt um den Einfluss von elektrischen Feldern auf den magnetischen
Zirkulardichroismus an den Fe und Co L3,2 Absorptionskanten zu erforschen.
Zudem wird der lineare Dichroismus an der Fe und Co L3,2 und Bi N5,4 Kante bei unterschiedlichen
magnetischen Feldern untersucht.</br> Außerdem wird die Rasterkraftmikroskopie
mit piezoelektrisch-aktiver Spitze und magnetfeldabhängige Mikroskopie verwendet.
Zunächst werden die Eigenschaften der einzelnen Komponenten in den polymerbasierten
und multiferroischen Systeme aus Teil I und II analysiert, um dann die Kopplungsmechanismen
selbst mittels Magnetometrie, ACS, Mikroskopie oder Röntgenabsorptionsspektroskopie
zu untersuchen.