Magnetische Anisotropie in dotierten Hexaferriten

Hexaferrite gehören zu den ältesten und technische wichtigsten Permanentmagneten. In diesem Projekt soll die Kernspinresonanz als lokale magnetische Sonde mit Bandstrukturrechnungen nach der Dichtefunktionaltheorie kombiniert werden, um zu einem besseren Verständnis der mikroskopischen Mechanismen zu gelangen, die der magnetischen Anisotropie der Hexaferrite zugrunde liegen. Damit soll eine wissenschaftliche Grundlage für die Suche nach weiteren Verbesserungen der Ferrite geschaffen werden. Die Hexaferrite beherrschen dank ihres Preisvorteils gegenüber den jüngeren Seltene-Erd-basierten Materialien auch nach mehreren Jahrzehnten Anwendung noch immer mehr als 50% des Marktes für Permanentmagnete. Daher ist jede Verbesserung ihrer Eigenschaften von besonderer Bedeutung für einen grossen Markt und es gab viele Versuche, die magnetischen Parameter durch Dotierung oder Substitutionen zu verbessern. Zwar kann das Material auf diesem Wege an spezielle Erfordernisse wie Koerzitivfelder und Korngrössen angepasst werden, die etwa für Speichermedien benötigt werden, aber die Sättigungsmagnetisierung und die Anisotropiefeldstärke konnten nicht angehoben werden. Im allgemeinen sinken sogar beide Parameter, wenn man auf den Barium- oder Eisenuntergittern dotiert. Einige Ergebnisse breitangelegter Materialforschung aus jüngster Zeit zeigen allerdings eine grössere Anisotropie und damit das Potential für eine Verbesserung der magnetischen Eigenscahften. Das Resultat hat erhebliches Forschungsinteresse an dotierten Hexaferriten ausgelöst, der Mechanismus der Anisotropieverstärkung konnte allerdings noch nicht identifiziert werden. Die magnetischen Eigenschaften der Hexaferrite werden von Eisen-Ionen auf fünf verschiedenen Positionen einer komplexen Struktur bestimmt. Eine Theorie des Magnetismus dieser Struktur setzt die Kenntnis der lokalen Eigenschaften von Eisen auf diesen Positionen voraus. In diesem Projekt werden diese Untergittermagnetisierungen mit Hilfe der Kernspinresonanz gemessen, der empfindlichsten verfügbaren Methode zur Messung lokalen Magnetfelder. Auf theoretischer Seite wird mit der Dichtefunktionaltheorie die z. Zt. genaueste Methode zur Berechnung der spinaufgelösten Bandstruktur eingesetzt, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften modellfrei zu beschreiben. Die beiden Methoden ergänzen sich somit hervorragend bei der Untersuchung der magnetischen Anisotropie.

Die magnetische Anisotropie ist eine Materialeigenschaft mit zentraler Bedeutung für die technischen Anwendungsmöglichkeiten eines magnetischen Materials in einem Älarkt mit enormem Umfang; der von industriellen Sensoren und Aktuatoren über Festplatten bis zu Lautsprechern oder Verschlüssen von Kühlschranktüren reicht. Trotz dieser Bedeutung der magnetischen Anisotropie beruht unser Verständnis ihrer mikroskopischen Ursachen auf relativ groben Vereinfachungen in der Beschreibung der elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Dies gilt auch für die Hexaferrite, obwohl sie seit nunmehr fast 50 Jahren den Markt für Permanentmagnete beherrschen. Das Ziel dieses Projekts war daher, die magnetische Anisotropie dieser vergleichsweise komplexen Struktur mit Methoden zu beschreiben, die dem Stand der Technik in der Festkörpertheorie entsprechen. Dazu wurden moderne Methode zur Berechnung der elektronischen Bandstruktur eingesetzt. Aus den Lösungen der komplexen Gleichungen wurden die in der Natur realisierten Strukturen ausgewählt, indem die berechneten Eigenschaften mit experimtell bestimmten mikroskopischen magnetischen Daten verglichen wurden. Zwei Ursachen für die magnetische Anisotropie sind bekannt: das klassische magnetische Dipolfeld, dass sich durch Zusammenwirken aller magnetischer Momente in einem \Material ergibt und das magnetische Bahnmoment, eine lokale Eigenschaft von Ionen an bestimmten Gitterplätzen einer Struktur. In den Hexaferriten zeigt sich, dass der üblicherweise schwache Dipolbeitrag eine nicht vernachlässigbare Bedeutung hat. Der Hauptbeitrag ist allerdings auf schwache Bahnmomente an den Eisenatomen zurückzuführen. Die Energieauflösung der heutigen Rechenverfahren reicht leider nicht aus, um diesen Beitrag tatsächlich einem oder mehreren der fünf möglichen Eisenplätze im Kristallgitter zuzuordnen. Die Rechnungen und Experimente an Hexaferriten, die mit Lanthan dotiert wurden, zeigen dagegen klar, dass die Vervierfachung der magnetischen Anisotropie in diesen neuen \Materialien einem starken Bahnmoment zugeschrieben werden kann, dass sich auf einem speziellen Gitterplatz ausbildet. Dieses magnetische Moment ist in der Kristallstruktur fest entlang einer Achse ausgerichtet und somit verantwortlich für die erhöhte Anisotropie bei tiefen Temperaturen. Eine Analyse der Temperaturabhängigkeit dieses Effektes zeigte allerdings, dass die instabile Kristallstruktur voraussichtlich technischen Applikationen bei Raumtemperatur unmöglich machen wird.