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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 Abstract | Language |
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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
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