Magnetisierungsexperimente an nanoskaligen Ferromagneten: Rolle der Wechselwirkung und Anisotropie

Michele, Oliver

doi:10.24355/dbbs.084-200511080100-387

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Magnetisierungsexperimente an nanoskaligen Ferromagneten : Rolle der Wechselwirkung und Anisotropie

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In dieser Arbeit werden Nano-Teilchen (typischer Durchmesser unter 10 nm) untersucht, die aus den ferromagnetischen Materialien Eisen, Kobalt und Nickel bestehen. Es werden die magnetischen Eigenschaften mittels SQUID-Magnetometrie untersucht. Dafür werden neue Messstrategien vorgestellt, um die Einflüsse von Anisotropie und Wechselwirkung zwischen den Teilchen trennen und quantifizieren zu können. Bei der Auswertung der Messungen an drei unterschiedlichen Nano-Teilchen-Systemen werden verschiedene Modelle verwendet: Zum einen wird die Abweichung vom idealen superparamagnetischen Verhalten durch die Einführung eines Störfeldes in die Langevin-Funktion berücksichtigt. Zum anderen wird in Anlehnung an das Stoner-Wohlfarth-Modell (uniaxiale Anisotropie) eine Zwei-Niveau-Relaxation vorgeschlagen, wobei die Wechselwirkung zwischen den Nano-Teilchen im Sinne eines Mean-Field berücksichtigt wird. In diesem Modell lassen sich der Einfluss der Wechselwirkung und der Anisotropie auf das magnetische Verhalten eindeutig voneinander trennen. Desweiteren wird das Stoner-Wohlfarth-Modell für den Fall geblockter Nano-Teilchen-Magnetisierung untersucht. Die gemittelte Lage der Minima der Energiedichtekurve wird für den Fall statistisch orientierter leichter Achsen durch eine neu vorgeschlagene Funktion beschrieben. Zusätzlich werden die Magnetisierungsmessungen mit Monte-Carlo-Simulationen verglichen. Bei den Simulationen wird die Wechselwirkung über die Dipolfelder der Teilchen modelliert. Der Einfluss der Parameter Teilchengröße, Anisotropie und Wechselwirkung wird untersucht und ist in Einklang mit den Messungen. Die untersuchten Probensysteme sind Ferrofluide mit Kobalt-Nano-Teilchen, Nickel-Nano-Teilchen die in einer Keramik eingebettet sind und Eisen-Nano-Teilchen-Cluster, die auf eine Mylarfolie aufgebracht wurden.

In this thesis, nano-particles (typical diameter below 10 nm) made from the ferromagnetic materials Iron, Cobalt and Nickel are being examined. The magnetic properties are investigated by means of SQUID-magnetometry. With new measurement techniques it is possible to distinguish qualitatively and quantitatively between the influences on the magnetic behaviour arising from anisotropy and particle-particle interaction. For the interpretation of the measurements on various nano-particle systems, several models are being used. The deviation from the ideal superparamagnetic behaviour is regarded by introducing an additional so-called disturbing field in the Langevin-function. On the other hand, the two-level-two-way relaxation is being used. The two levels correspond to the two minima of the energy-density curve of a Stoner-Wohlfarth particle in an external magnetic field (uniaxial anisotropy). The interaction between the particles is introduced in a mean-field approach. With this model it is possible to seperate the influences of anisotropy and interaction from magnetization measurements. In a further step, the magnetization of blocked nanoparticles is being investigated. The angles belonging to the minima of the Stoner-Wohlfarth energy-density distribution are being described by a new easy-to-use analytical function for the case of randomly oriented easy axes. Additionally, the magnetization measurements are being compared with monte-carlo simulations. The interaction between the particles is introduced via dipol fields. The influence of the particle size, the anisotropy and the interaction is being studied and in agreement with the measurements. There are three different kinds of samples which are being subject to measurements in this work: Cobalt ferrofluids, Nickel nano-particles in a ceramic matrix and Iron nano-particles deposited on a mylar-foil.