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Crystalline and amorphous cluster-assembled nanomaterials, synthesized with a novel cluster deposition system

Fischer, Arne Stephen :
Crystalline and amorphous cluster-assembled nanomaterials, synthesized with a novel cluster deposition system.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Crystalline and amorphous cluster-assembled nanomaterials, synthesized with a novel cluster deposition system
Language: English
Abstract:

Clusters are generally defined as aggregates of three up to several million atoms or molecules. In recent years, it has been shown, that especially small clusters in the size-range of a few nanometers can exhibit unique, size-dependent properties (e.g. magnetic, electronic), differing them from their bulk material counterparts. Therefore, synthesizing materials based on size-selected clusters may pave the way to new types of materials with tailorable properties. In order to be able to synthesize any kind of cluster-composed material with a high degree of control over the various material characteristics, a cluster ion beam deposition system was designed, ion-optically simulated, and constructed. Thereby, the focus was to develop a versatile system, that offers as much control as possible over the various deposition parameters. Experiments on two cluster/matrix nanocomposites, namely iron/silver and iron/chromium, as well as a purely cluster-composed material based on amorphous iron-scandium alloy clusters, were conducted with the newly developed deposition system. The experiments on iron/silver revealed, that the cluster ion beam deposition system allows to synthesize cluster-composed materials with, amongst other features, an outstanding degree of control in terms of deposited amounts of clusters, and homogeneity of the synthesized samples. The focus of the experiments on iron/chromium was to thoroughly study the magnetic characteristics of the ferromagnetic(iron)/ antiferromatic (chromium) samples. The obtained results yielded insights into the relation between the various magnetic characteristics, for example the exchange bias effect, and the sample parameters, i.e. the size of the embedded clusters and the cluster volume fractions in the samples. Finally, experiments are presented, where a material purely composed of amorphous Fe-Sc alloy clusters was characterized. The obtained results indicate, that by systematic variation of the deposition parameters, a new amorphous structure with altered properties compared to conventional amorphous material, typically prepared by rapid quenching, was synthesized.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Cluster werden typischerweise als Ansammlung von drei bis zu mehreren Millionen Atomen oder Molekülen definiert. In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass inbesondere kleine Cluster im Größenbereich von einigen Nanometern einzigartige größenabhängige Eigenschaften (z.B. magnetische oder elektrische) haben können, die sie von ihren Festkörper-Gegenstücken unterscheiden. Daher könnte die Herstellung von Materialien auf Basis von größenselektierten Clustern den Weg zu neuen Materialklassen mit einstellbaren Eigenschaften ebnen. Mit dem Ziel, einen weiten Bereich von clusterbasierten Materialien mit einem hohen Maß an Kontrolle über die unterschiedlichen Materialeigenschaften herstellen zu können, wurde eine Cluster-Ionenstrahl-Beschichtungsanlage entworfen, ionenoptisch simuliert und aufgebaut. Das Hauptaugenmerk lag darauf, eine möglichst flexible Anlage zu entwickeln, die eine größtmögliche Kontrolle über die verschiedenen Abscheideparameter bietet. Mit Hilfe der neuen Beschichtungsanlage wurden Experimente mit zwei verschiedenen Cluster/Matrix Materialsystemen (Eisen/Silber und Eisen/Chrom), sowie einem rein clusterbasierten Material, bestehend aus amorphen Eisen-Scandium Legierungsclustern, durchgeführt. Unter anderem konnte anhand der Experimente mit Eisen/Silber gezeigt werden, dass es die Cluster-Ionenstrahl-Beschichtungsanlage ermöglicht, clusterbasierte Materialien sehr homogen sowie mit einer herausragenden Kontrolle über die abgeschiedenen Clustermengen herzustellen. Im Fokus der Experimente mit Eisen/Chrom stand eine sorgfältige Studie der magnetischen Eigenschaften des Materialsystems, das eine Mischung aus ferromagnetischen Clustern (Eisen) und einer antiferromagnetischen Matrix (Chrom) darstellt. Die Ergebnisse ergaben Einblicke in die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen magnetischen Eigenschaften des Systems, beispielsweise dem Exchange Bias Effekt, und den grundlegenden Kenngrößen der Proben, wie die Größe der eingebetteten Cluster und den Cluster-Volumenanteilen. Zuletzt wurde ein Material hergestellt und untersucht, das ausschließlich aus amorphen Eisen-Scandium Legierungsclustern besteht. Die erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch gezielte Veränderung der Abscheideparameter der Cluster eine neuartige amorphe Struktur hergestellt werden konnte. Diese weist gegenüber amorphen Material, das üblicherweise durch schnelles Abschrecken hergestellt wird, deutlich veränderte Materialeigenschaften auf.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Cluster, cluster deposition, nanoglasses, cluster/matrix nanocomposites, exchange bias
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Joint Research Laboratory Nanomaterials
Date Deposited: 08 Oct 2015 08:14
Last Modified: 08 Oct 2015 08:14
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46314
Referees: Hahn, Prof. Dr. Horst and Kappes, Prof. Dr, Manfred
Refereed: 5 May 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4631
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