Schäfer, Sandra (2018)
Nasschemische Synthese ferromagnetischer Nanostrukturen in ionenspurgeätzen Templaten.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Nanostrukturen wie Nanodrähte, Nanoröhren und Nanopartikel sind aufgrund ihrer veränderten Eigenschaften im Vergleich zum Vollmaterial in vielen Anwendungsbereichen von großem Interesse. Besonders magnetische Nanostrukturen sind durch ihre einzigartigen magnetischen Eigenschaften, die durch präzise Morphologie- und Zusammensetzungskontrolle erreicht werden können, im Fokus der Wissenschaft. Der Einfluss der Syntheseparameter auf die magnetischen Eigenschaften eindimensionaler Nanostrukturen wie Nanodrähte und Nanoröhren mit hohem Aspektverhältnis wird in dieser Arbeit untersucht. Für die chemische Synthese der Nanostruktur werden zwei Methoden verwendet: Die elektrochemische Abscheidung von Metallen ist die bekannteste Methode zur Synthese eindimensionaler Nanostrukturen, meistens für Nanodrähte, in einem Templat, welches entweder aus anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) oder einem ionenspurgeätzten Polymertemplat besteht. Ein alternatives Syntheseverfahren, welches meist für die Herstellung metallischer Nanoröhren verwendet wird, ist die stromlose Abscheidung. Hierbei wird die Templatoberfläche durch eine oberflächenkonforme autokatalytische Redoxreaktion mit einem Metall beschichtet. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der nicht benötigten externen Stromversorgung, und daher können sowohl leitende als auch nichtleitende Substrate mit diesem Verfahren beschichtet werden. Abhängig von den resultierenden magnetischen Eigenschaften können die synthetisierten Strukturen ihre Anwendung in verschiedenen Gebieten wie Datenspeicherung, Sensorik, Katalyse, Transport- oder Trennverfahren, Spintronik oder Permanentmagnetismus finden. Gerade im Anwendungsbereich von Hochleistungs-Permanentmagneten besteht ein großer Bedarf an eindimensionalen magnetischen Nanostrukturen. Da Hochleistungs-Permanentmagnete ein hohes Energieprodukt benötigen, ist es erforderlich, gleichzeitig eine hohe Sättigungsmagnetisierung und ein großes Koerzitivfeld zu haben. Gegenwärtige Hartmagneten bestehen typischerweise aus Seltenerd-Übergangsmetall-Legierungen. Das Übergangsmetall liefert eine hohe Magnetisierung, während das Seltenerdelement eine große magnetokristalline Anisotropie verursacht, was zu einem hohen Koerzitivfeld führt. Aufgrund der Kritikalität der Seltenerdelemente hat die intensive Forschung nach seltenerdfreien Permanentmagneten als Alternative begonnen. In dieser Hinsicht wurden eindimensionale Nanostrukturen wie Nanodrähte oder Nanoröhrchen mit großem Aspektverhältnis (Länge:Durchmesser > 100) aus 3d-Übergangsmetallen als mögliche Kandidaten aufgrund der starken magnetischen Formanisotropie vorgeschlagen. Ausgerichtete Ensembles solcher Nanodrähte zeigen eine hohe remanente Magnetisierung und ein großes Koerzitivfeld und sind eine vielversprechende Alternative zu Seltenerdmetall enthaltenden Magneten. Ni-, Co- und Fe-Nanodrähte, sowie Nanodrähte aus deren Legierungen werden durch elektrochemische Abscheidung in ionenspurgeätzten Polymertemplate mit unterschiedlichen Zusammensetzungen synthetisiert. Diese Nanodrähte wurden durch SEM auf ihre Morphologie, EDX für ihre Zusammensetzung und XRD für die Kristallinität und Textur charakterisiert. Zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften wurden SQUID- und VSM-Messungen durchgeführt. Diese Messungen veranschaulichen die Zunahme des Koerzitivfeldes der Nanodrähte im Vergleich zu Dünnschichten. Die Eigenschaften hängen jedoch auch vom Durchmesser der Nanodrähte, der kristallographischen Textur und ihrer Zusammensetzung ab. Die magnetischen Eigenschaften werden in Abhängigkeit von den Präparationsparametern diskutiert. Nanoröhren aus Ni, Co und die Metalllegierungen NiCo, NiFe und CoFe wurden durch stromlose Abscheidung in ionenspurgeätzten Polymertemplaten synthetisiert. Die Zusammensetzung der Legierung wird durch die Menge an Metallsalz in dem Plattierungsbad eingestellt und durch EDX-Messungen bestimmt. Die magnetischen Eigenschaften wurden durch SQUID- und VSM-Messungen untersucht. Diese Eigenschaften wurden stark durch die jeweilige Zusammensetzung und die Wandstärke der Nanoröhren beeinflusst. Abhängig von den beobachteten Eigenschaften werden die Strukturen in verschiedenen Beispielanwendungen verwendet.

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