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Fe8Nx Thin Films and Nanoparticles: from Intrinsic Properties Towards Magnetic Applications

Dirba, Imants :
Fe8Nx Thin Films and Nanoparticles: from Intrinsic Properties Towards Magnetic Applications.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Fe8Nx Thin Films and Nanoparticles: from Intrinsic Properties Towards Magnetic Applications
Language: English
Abstract:

Iron nitride Fe8Nx could potentially provide an environmentally friendly and resource-efficient functional magnetic material in the areas of permanent magnets, magnetic recording as well as biomedical applications. Despite the amount of research within the last decades, questions remain on whether or not the intrinsic magnetic properties are sufficient and if they can, by sustainable means, be engineered into the useful extrinsic properties. Another key issue is the phase stability in different environments which needs a thorough investigation. In this thesis, the Fe8Nx material synthesis, an analysis of structure and the corresponding magnetic properties, particularly in thin films and nanoparticles, are presented. The focus lies first on the fabrication of buffer-free, phase-pure α'-Fe8Nx and α''-Fe16N2 samples in order to converge towards an unambiguous interpretation of the observed physical phenomena. The main aim of this work is to study the magnetic properties, the thermal stability and consequently feasibility for the proposed applications, by performing advanced synthesis and in-depth characterization of high-quality α'-Fe8Nx and α''-Fe16N2 samples. α'-Fe8Nx thin films are deposited in the full range of 0 ≤ x ≤ 1. The nitrogen incorporation leads to a gradually induced tetragonal unit cell expansion of the compounds which is accompanied by an increase in the magnetic moment, reaching 2.50 ± 0.09μB per Fe atom at 10 K. The origin of the increased magnetic moment is solely the lattice expansion. The uniaxial anisotropy constant increases with c/a ratio (or resp. nitrogen content) reaching a value of 0.54MJm3 for c/a ≈1.1. The interstitial N atoms play a decisive role in stabilizing the enhanced perpendicular magnetocrystalline anisotropy. These findings can be generalized to other nitrogen containing interstitial Fe alloys. The second major activity is the development of a novel route with a high-pressure hydrogen reduction step for the synthesis of α''-Fe16N2 nanoparticles. With this route, phase-pure α''-Fe16N2 nanoparticles are successfully synthesized and characterized. The Ms(0) for α''-Fe16N2 nanoparticles is found to be 215Am2kg-1 and coercivity μ0Hc = 0.22T. Fe-O shells form around the particles when exposed to atmosphere which leads to a reduced magnetization. Overall the Fe8Nx alloys are shown to possess semi-hard magnetic properties as well as relatively poor phase stability, which has direct consequences on applications, such as bulk permanent magnets, nanocomposites and magnetic nanoparticle hyperthermia.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Werkstoff Eisennitrid Fe8Nx ist ein potentieller kandidat für ein umweltfreundliches und ressourceneffizientes Funktionsmaterial mit Anwendungsmöglichkeiten als Permanentmagnet, magnetischer Datenträger oder in biomedizinischen Anwendungen. Trotz eines nicht unerheblichen Forschungsaufwandes in den letzten Jahrzehnten bleibt die Frage, ob die intrinsischen magnetischen Eigenschaften ausreichend sind um die erwünschten extrinsischen Eigenschaften durch geeignete Verarbeitung erreicht zu können. Zusätzlich bedarf es weiter Untersuchungen hinsichtlich der Phasenstabilität unter verschiedenen Umwelteinflüssen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Reihe an Erkenntnissen zur Materialsynthese, der Struktur und den zugehörigen magnetischen Eigenschaften vorgestellt, insbesondere anhand von Dünnschichten und Nanopartikeln. Das Augenmerk liegt auf der Herstellung von phasenreinen α'-Fe8Nx und α''-Fe16N2 Proben die ohne zusätzliche epitaktische Vermittlungsschicht auskommen, um eine unverfälschte Interpretation auftretender physikalischer Effekte zu ermöglichen. Hauptziel dieser Arbeit ist daher, die magnetischen Eigenschaften und thermische Stabilität näher zu beleuchten und somit die Machbarkeit der vorgestellten Anwendungen zu evaluieren. Dies wurde durch Synthesemethoden und ausführlicher Charakterisierung von hochqualitativen α'-Fe8Nx und α''-Fe16N2 Proben erreicht. Es wurde eine vollständige Probenreihe von α'-Fe8Nx mit 0 ≤ x ≤ 1 in Form von Dünnschichten abgeschieden. Die Inkorporation von Stickstoff führt zu einer kontinuierlich steigenden, tetragonalen Gitterverzerrung der Einheitszelle, was mit einer Vergrößerung des magnetischen Moments bis hin zu 2.50 ± 0.09 μB pro Eisenatom bei 10 K einhergeht. Die Ursache für das zunehmende magnetische Moment liegt alleine in der Gitteraufweitung. Die uniaxiale Anisotropiekonstante nimmt mit steigendem c/a Verhältnis (bzw. der Menge an Stickstoff) zu bis hin zu einem Wert von 0.54MJm3 für c/a ≈1.1. Die interstitiellen Stickstoffatome spielen eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung der erhöhten perpendikulären magnetokristallinen Anisotropie. Diese Erkenntnisse können verallgemeinert und auf andere stickstoffhaltige Eisenlegierungen übertragen werden. Eine neue Syntheseroute für die Synthese von α''-Fe16N2 wird erstmalig vorgestellt. Diese beinhaltet einen Zwischenschritt, in welchem Eisenoxid unter Hochdruck per Wasserstoffreduktion zu α-Fe reduziert wird. Mit dieser Route ist es möglich phasenreine α''-Fe16N2 Nanopartikel erfolgreich zu synthetisieren und charakterisieren. Die Ms(0) für α''-Fe16N2 Nanopartikel wurde zu 215Am2kg-1 bestimmt, während für die Koerzitivfeldstärke μ0Hc = 0.22T gemessen wurde. Die Partikel bilden bei Kontakt mit Luft eine Hülle aus Fe-O an der Oberfläche, was zu einer herabgesetzten Magnetisierung führt. Zusammenfassend besitzen die Fe8Nx Legierungen semi-harte magnetische Eigenschaften und eine relativ geringe Phasenstabilität, was direkte Konsequenzen in Bezug auf die vorgestellten Anwendungen hat.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Functional Materials
Date Deposited: 02 Jun 2017 11:29
Last Modified: 02 Jun 2017 11:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62591
Referees: Gutfleisch, Prof. Dr. Oliver and Niewa, Prof. Dr. Rainer
Refereed: 22 May 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6259
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