Präparation magnetischer Nanostäbe durch Templatverfahren und Untersuchung ihrer Mikrostruktur und magnetischen Eigenschaften

Abstract

Basierend auf der klassischen Templatsynthese konnten formanisotrope, ferromagnetische, eindomänige Stäbe mit Durchmessern zwischen 12 nm und 22 nm und hohem Aspektverhältnis hergestellt werden. Mit dem Aufweiten der Template in Phosphorsäure wurde ein einfacher Zwischenschritt bei der Synthese eingeführt, welcher zu einer Erhöhung des Stabdurchmessers und zu einer Homogenisierung der Staboberflächen führt. Auf diese Weise konnte der Einfluss einer Variation der Mikrostruktur auf die magnetischen Eigenschaften der Stäbe untersucht werden. Es wurde bei einer Aufweitzeit von 9 Minuten die Koerzitivität der Stäbe von ungefähr 70 mT auf 100 mT erhöht. Theoretisch werden die synthetisierten Proben im einfachsten Fall durch das SWM beschrieben. Jedoch zeigen sich insbesondere bezüglich der Koerzitivität starke Abweichungen zwischen den Voraussagen des SWM (HC = 285 mT) und experimentellen Befunden (HC = 70 - 100 mT). Aufgrund von Remanenzmessungen befüllter Template konnte mittels eines Henkel-Plots gezeigt werden, dass die Stäbe im Templat untereinander stark dipolar wechselwirken. Aus diesem Grund wurden die Stäbe als magnetische Phase in Ferrogele eingebaut und statischen Magnetisierungsmessungen unterzogen. In diesem System sind die Abstände der Stäbe stark erhöht, so dass die dipolaren Wechselwirkungen minimiert werden. So konnte die Formanisotropiekonstante der Stäbe bestimmt werden. Sie war ungefähr 30% geringer als vom SWM vorausgesagt. Dies erklärt die geringen Koerzitivitäten nur teilweise. Die experimentell bestimmte Switchingfielddistribution spricht dafür, dass die Stäbe ein Magnetisierungsumkehrverhalten aufweisen, welches nicht dem kohärenten, delokaliserten Prozess des Stoner-Wohlfarth-Modells entspricht. Die geringen Koerzitivitäten erklären sich also primär durch ein verändertes Magnetisierungsumkehrverhalten. Dies ist wiederum vermutlich durch Abweichungen der Mikrostruktur der Stäbe von der idealen Zylinderform erklärbar, denn Stäbe mit geringerer Oberflächenrauheit und größerem Stabdurchmesser und damit besserem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen haben höhere Koerzitivitäten. Durch TEM-Dunkelfeldaufnahmen konnte gezeigt werden, dass die Stäbe aus Körnern mit log-normalverteiltem Durchmesser von etwa 10 nm aufgebaut sind. Jedoch konnte auch durch eine Anlassbehandlung der befüllten Template kein Zusammenhang zwischen der Korngröße und den magnetischen Eigenschaften der Stäbe gefunden werden. Diese verursachte aber eine Verringerung der Koerzitivität um bis zu 50%, deren Ursprung durch eine TEM-Charakterisierung nicht aufzuspüren ist. Zuletzt wurde die Probensynthese grundlegend verändert, um die Mikrostruktur der Stäbe zu beeinflussen. Durch das DC-Verfahren, ein weiteres templatbasiertes Vorgehen, wurde eine neue Methode zur Synthese von Nickel-Nanostäben realisiert. Hierbei musste zunächst das Ausgangsmeterial durch Elektropolitur vorbereitet werden. Mit Hilfe einer zweistufigen Anodisierung wurde eine poröse Aluminiumoxidschicht synthetisiert, welche durch Spannungsumkehr großflächig abgelöst werden kann. Durch das chemische Auflösen des Barrierenoxids mittels Phosphorsäure konnten Aluminiumoxidschichten mit durchgehend geordneten hexagonal angeordneten Poren synthetisiert werden. Mittels Aufsputtern einer metallischen Gegenelektrode werden die Poren auf einer Seite mit einem leitenden Material verschlossen. In einer elektrochemischen Zelle konnten die Poren nun durch Anlegen einer Gleichspannung befüllt werden. Obwohl das Verfahren im Vergleich zur klassischen Templatsynthese zusätzliche Präparationsschritte erfordert und die auf diese Weise synthetisierten Stäbe ähnliche magnetische Eigenschaften sowie Mikrostruktur aufweisen, bietet es doch einige Vorteile: Der Befüllungsvorgang verkürzt sich enorm. Ein Materialwechsel ist durch einen simplen Austausch des Elektrolyten und eine Anpassung der Abscheidespannung zu realisieren. Bei dem stromgepulsten Verfahren müssen Stromdichte, Dauer des Abscheidepulses, Dauer des Gegenpulses sowie die Dauer der Pause zwischen den Pulsen bestimmt werden. Da beim klassischen Templatverfahren mit zunehmender Anodisierungsspannung auch das Barrierenoxid dicker wird, ist dieses Verfahren für sehr dicke Stäbe gar nicht durchführbar. Bei dem DC-Verfahren entfällt diese Beschränkung gänzlich. Außerdem gelang es, ein einfaches und effektives Verfahren zur Herstellung eines Teppichs aus Nanostäben zu realisieren. Das Problem der Bündelbildung "Teppichfasern" konnte durch einen Materialwechsel sowie Anpassung der Stabgeometrie gelöst werden, sodass man letztendlich freistehende, hexagonal angeordnete Gold-Nanostäbe mit minimaler Längenverteilung herstellen konnte, deren Stabachsen senkrecht auf einer Ebene stehen.