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Nasschemische Synthese ferromagnetischer Nanostrukturen in ionenspurgeätzen Templaten

Schäfer, Sandra :
Nasschemische Synthese ferromagnetischer Nanostrukturen in ionenspurgeätzen Templaten.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nasschemische Synthese ferromagnetischer Nanostrukturen in ionenspurgeätzen Templaten
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Nanostructures, such as nanowires, nanotubes and nanoparticles are of great interest in many application fields by virtue of their altered properties in comparison to bulk material. Especially magnetic nanostructures are of high interest due to their unique magnetic characteristics, which can be achieved by precise morphology and composition control. The influence of the synthesis parameters on the magnetic properties of one-dimensional nanostructures, such as nanowires and nanotubes with high aspect ratio is studied in this work. Two methods are used for the chemical synthesis of the nanostructure: Electrodeposition of metals is known as the most prominent method to synthesize one-dimensional nanostructures – mostly used for nanowires – in a template, which is either anodized aluminum oxide (AAO) or an ion-track etched polymer. An alternative synthesis process, which leads to metallic nanotubes, is the electroless plating procedure. The template surface is plated with a metal by a surface concordant autocatalytic reduction reaction. The advantage of this method is the lack of an external power supply and therefore, both conductive and non-conductive substrates can be coated by the deposited metal. Depending on the resulting magnetic properties, the synthesized structures can find their applications in different areas of use, such as data storage, sensor technology, catalysis, transportation or separation processes, spintronics or permanent magnetism. Especially the application field of high-performance permanent magnets shows a great demand for one dimensional magnetic nanostructures. High-performance permanent magnets require a high-energy product, which results in a high saturation magnetization and a large coercive field at the same time. Current hard magnets typically consist of rare earth-transition metal alloys. The transition metal provides a high magnetization whereas the rare earth element causes a large magnetocrystalline anisotropy, which leads to a high coercive field. Due to the criticality of rare earth elements, intense research for rare earth free permanent magnets as an alternative has begun. In this regard, large aspect ratio (length:diameter > 100) of one-dimensional nanostructures such as nanowires or nanotubes of 3d transition metals were suggested as possible candidates due to their strong magnetic shape anisotropy. Aligned ensembles of such nanowires show a high remnant magnetization and a large coercive field and are promising alternative to rare earth containing magnets. Ni-, Co- and Fe-nanowires as well as nanowires of alloys were synthesized by electrodeposition in ion-track etched polymer templates with different compositions. Those nanowires where thoroughly characterized by SEM for their morphology, EDX for their composition and XRD for the crystallinity and texture. For the determination of the magnetic properties, SQUID and VSM measurements were conducted. Those measurements illustrate the increase of the nanowires’ coercive field in comparison to thin films. However, the properties are also dependent on the diameter of the nanowires, the crystallographic texture and their composition. The magnetic features were discussed in dependence on the preparation parameters. Nanotubes made out of Ni, Co and the metal alloys of NiCo, NiFe and CoFe were synthesized by electroless deposition in ion-track etched polymer templates. The composition of the alloy was adjusted by the amount of metal salt in the plating bath and was determined by EDX-measurements. The magnetic properties were investigated by SQUID and VSM measurements. They turned out to be dependent on the composition and the wall thickness of the nanotubes. Depending on the observed properties the structures are applied in different example applications.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
Date Deposited: 25 Jan 2018 11:54
Last Modified: 25 Jan 2018 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-71936
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Trautmann, Prof. Dr. Christina
Refereed: 20 December 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7193
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