Magnetismus ist eine Eigenschaft, die jedem von uns aus dem täglichen Leben vertraut ist. Eine Vielzahl technischer Anwendungen und Geräte beruhen auf den magnetischen Eigenschaften der benutzten Materialien. Die Bandbreite reicht von der Kompaßnadel bis hin zu modernen Datenspeichermedien. Die magnetischen Eigenschaften von Festkörpern sind heutzutage zu einem großen Teil untersucht und verstanden. Geht man jedoch zu mesoskopischen Systemen über, so unterscheiden sich die Eigenschaften unter Umständen deutlich von denen des ausgedehnten Festkörpers. Je mehr die Dimensionen oder die Geometrie eingeschränkt werden, desto mehr weicht das Verhalten ab, da Oberflächen- und Randeffekte dominierend werden. Dünne magnetische Filme mit einer Dicke von wenigen Monolagen, bzw. Schichtsysteme, die abwechselnd aus magnetischen und unmagnetischen Materialien bestehen, wurden bereits hinreichend untersucht. An diesen Multischichten fand man z.B. eine sehr starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes vom angelegten Magnetfeld, den sogenannten Giant Magnetoresistance (GMR), der auf der Kopplung der magnetischen Schichten durch die unmagnetischen hindurch beruht. Auch Partikel mit einem Durchmesser von wenigen nm sind das Thema vieler Veröffentlichungen, da ihre Eigenschaften aufgrund der reduzierten Größe sehr interessant sind. Zum Beispiel verhalten sich ferromagnetische Partikel in der Größenordnung < 50nm bei einer gewissen Temperatur TB plötzlich paramagnetisch, allerdings sind die Spins der einzelnen Atome immer noch korreliert, das magnetische Moment des ganzen Partikels beginnt zu fluktuieren. Man nennt diesen Effekt Superparamagnetismus, der Übergang hängt lediglich von der Größe der Partikel und ihrer Wechselwirkung untereinander ab. Dieser Effekt wurde bisher nur an magnetischen Partikeln in einer unmagnetischen Matrix (granulare Systeme), bzw. Suspensionen untersucht. Beides sind ungeordnete Systeme mit statistisch verteilten Anisotropie{Achsen, so daß für den Abstand, die Wechselwirkung etc. mit Mittelwerten gerechnet wird.[...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Magnetische Ordnungsstrukturen
2.2 Diamagnetismus
2.2.1 Langevin Diamagnetismus von Isolatoren
2.2.2 Landau Diamagnetismus von Metallen
2.3 Paramagnetismus
2.3.1 Langevin Paramagnetismus
2.3.2 Pauli Paramagnetismus
2.4 Ferromagnetismus
2.4.1 Domänenstruktur
2.5 Spingläser
2.5.1 Anisotropie-Energie
2.6 Superparamagnetismus
2.6.1 Néel’s Theorie des Superparamagnetismus
2.6.2 Brown’sche Theorie des Superparamagnetismus
2.6.3 Blocking Temperatur
2.7 Wechselwirkung zwischen den Partikeln
2.8 Superantiferromagnetismus
2.9 Magnetowiderstand
3 Herstellung und Charakterisierung
3.1 Die Kolloidmasken
3.1.1 Freistehende Masken
3.2 Probenpräparation
3.3 Größe der erzeugten Strukturen
3.4 Berechnung der zu erwartenden Größen
3.5 Charakterisierung
3.5.1 Lichtmikroskop
3.5.2 Raster-Elektronenmikroskop
3.5.3 Tunnelmikroskop
3.5.4 Kraftmikroskope
4 Magnetisierungsmessungen
4.1 Aufbau und Funktion eines SQUIDs
4.2 Diskussion der Ergebnisse
4.2.1 Bestimmung einer Vorzugsrichtung
4.2.2 Magnetisierung im Nullfeld
4.2.3 Magnetisierung im Feld
5 Magnetowiderstandsmessungen
5.1 Der Tieftemperatur-Meßstand
5.2 Diskussion der Ergebnisse
5.2.1 Magnetowiderstand bei Raumtemperatur
5.2.2 Magnetowiderstand bei tiefen Temperaturen
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Anhang
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die magnetischen und elektrischen Eigenschaften von periodisch angeordneten Nickel-Nanopartikeln, die mittels Kolloidmasken hergestellt wurden. Das primäre Ziel besteht darin, festzustellen, ob diese periodischen Systeme einen Übergang vom blockierten zum superparamagnetischen Zustand zeigen und wie sich das magnetische Verhalten in Abhängigkeit von der Anordnung und der Wechselwirkung unterscheidet.
- Herstellung von Nanostrukturen mittels Kolloidmasken-Lithographie
- Charakterisierung durch Licht-, Elektronen-, Tunnel- und Kraftmikroskopie
- Magnetisierungsmessungen an Nickel-Partikeln unterschiedlicher Größe
- Untersuchung des Magnetowiderstandes und des GMR-Effekts
- Analyse von superparamagnetischem Verhalten und Blocking-Temperatur
Auszug aus dem Buch
2.1 Magnetische Ordnungsstrukturen
In den folgenden Kapiteln soll eine kurze Einführung in den Magnetismus gegeben werden, ausführlichere Darstellungen findet man z.B. in [1]-[3]. Zur Charakterisierung magnetischer Stoffe, sind folgende Größen erforderlich:
Das magnetische Moment m, das durch Spin und Bahnbewegung der Elektronen, bzw. Kerne bewirkt wird. Anschaulich ist das magnetische Moment ein Maß für die Kraft, mit der ein Dipol im Magnetfeld gedreht wird, um sich in dessen Richtung auszurichten.
Das magnetische Moment gibt man gewöhnlich in Einheiten von µB (s.u.) an; für ein freies Atom beträgt es: (m) = gµB sqrt(J(J+1)). Hierbei ist J die Gesamtdrehimpulsquantenzahl.
Das magnetische Moment des Kerns ist um 3 Größenordnungen kleiner und wird deshalb in allen Betrachtungen vernachlässigt.
Die Magnetisierung M ist die Anzahl der Gitteratome n pro Volumen multipliziert mit ihrem magnetischen Moment m: M = n * m.
Die Einheit ist, wie auch für das Magnetfeld H [A/m] oder Oersted [Oe]. 1 A/m = 4pi * 10^-3 Oe.
Die Suszeptibilität chi, die den Zusammenhang zwischen der Magnetisierung M eines Systems und dem angelegtem Magnetfeld H angibt: chi = M / H
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Thematik der magnetischen Eigenschaften von mesoskopischen Systemen und Definition der Problemstellung.
2 Theoretische Grundlagen: Vermittlung der physikalischen Grundlagen zu Magnetismus, Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Spingläsern und Superparamagnetismus.
3 Herstellung und Charakterisierung: Detaillierte Beschreibung der Probenpräparation mittels Kolloidmasken und der angewandten mikroskopischen Untersuchungsmethoden.
4 Magnetisierungsmessungen: Darstellung und Diskussion der experimentellen Daten zur Magnetisierung der Nickel-Partikel unter verschiedenen Bedingungen.
5 Magnetowiderstandsmessungen: Analyse des elektrischen Widerstands der Proben in Abhängigkeit von externen Magnetfeldern bei unterschiedlichen Temperaturen.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der erzielten Ergebnisse und Diskussion potenzieller Ansätze für zukünftige Arbeiten.
7 Anhang: Ergänzende Daten zu weiteren Proben und zusätzliche messtechnische Details.
Schlüsselwörter
Nickel-Nanopartikel, Magnetismus, Kolloidmasken, Superparamagnetismus, Magnetisierung, Magnetowiderstand, Blocking-Temperatur, GMR-Effekt, Nanostrukturierung, Anisotropie-Energie, SQUID, Rasterelektronenmikroskopie, Atomkraftmikroskopie, Phasenübergang, Dünne Filme
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung magnetischer und elektrischer Eigenschaften von periodisch angeordneten Nickel-Nanopartikeln.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zu den zentralen Themen gehören die Herstellung nanostrukturierter Proben, deren magnetische Charakterisierung sowie die Untersuchung des Magnetowiderstands.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, das magnetische Verhalten periodisch angeordneter Nanopartikel zu analysieren und zu prüfen, ob diese Systeme einen Übergang zum superparamagnetischen Zustand vollziehen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden physikalische Herstellungsverfahren (Kolloidmasken-Lithographie) mit Messmethoden wie SQUID-Magnetometrie und verschiedenen mikroskopischen Verfahren kombiniert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen des Magnetismus, die detaillierte Beschreibung der Probenherstellung sowie die Auswertung der durchgeführten Magnetisierungs- und Widerstandsmessungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie Nickel-Nanopartikel, Superparamagnetismus, Kolloidmasken und Magnetowiderstand charakterisieren.
Welche Rolle spielen die Korngrenzen im Probenmaterial?
Die Korngrenzen entstehen fertigungsbedingt im Kolloidkristall und führen dazu, dass das System aus zwei verschiedenen Teilchensorten besteht, was die magnetischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst.
Warum wurde für die Messungen ein SQUID verwendet?
Ein SQUID wurde gewählt, da es die Messung extrem kleiner magnetischer Flussänderungen ermöglicht, die für die Analyse der schwachen Signale der kleinen Nanopartikel-Proben notwendig sind.
Welche Auswirkung hat die Oxidation des Nickels auf die Messergebnisse?
Die Nickelpartikel sind von einer Nickeloxidschicht umgeben, was dazu führt, dass sich das System teilweise antiferromagnetisch verhält und die Magnetisierungsmessungen von diesen Effekten überlagert werden.
Können die 50 nm und 80 nm Partikel hinsichtlich ihres magnetischen Verhaltens unterschieden werden?
Ja, die Untersuchungen zeigten deutliche Unterschiede im magnetischen Verhalten, wobei die größeren Partikel über einen weiten Temperaturbereich ferromagnetisch reagieren, während die kleineren Partikel spezifische superparamagnetische Tendenzen aufweisen.
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- Martina Meincken (Author), 1998, Magnetische Eigenschaften von periodisch angeordneten Nanopartikeln aus Nickel, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185507
