NMR-Charakterisierung wechselwirkender Nanostrukturen

Im Rahmen des vorliegenden Projekts sollen die elektronischen und magnetischen Eigenschaften makroskopischer Ensembles wechselwirkender, magnetischer Nanostrukturen mit Hilfe der lokalen Sonde der Kernspinresonanz (NMR) untersucht werden. Im Zuge der Miniaturisierung sowohl bei Halbleiter- wie auch magnetischen Komponenten sind in den letzten Jahren Abmessungen der Strukturen im Nanometerbereich erreicht worden, wobei die einzelnen Einheiten für technische Anwendungen über makroskopische Abmessungen hinweg kohärent und homogen strukturiert werden müssen. Obwohl die NMR in der Regel für die Charakterisierung einzelner Einheiten mit Abmessungen im Nanometerbereich zu unempfindlich ist, kann sie bei groen, homogenen Ensembles solcher Einheiten detaillierte Informationen über die Verteilung lokaler elektronischer und magnetischer Eigenschaften in den Strukturen liefern. Dies soll hier ausgenützt werden, um an drei Beispielsystemen die Eigenschaften und Funktionsweise der Einheiten solcher Nanostrukturen zu studieren, sowie die Mechanismen, über die sie in den dicht gepackten Anordnungen miteinander wechselwirken: Mit BaTiO3 überzogene CoFe2 O4 -Partikel, die wegen der Kopplung zwischen Ferroelektrikum und Ferromagnet einen magneto-elektrischen Effekt zeigen; Nanodrähte aus ferromagnetischen Übergangsmetallen in porösem Silizium, die eine starke negative differentielle Magnetisierung bei hohen Feldern zeigen; sowie dünne, ferromagnetische Co-Schichten mit lateralen Nanostrukturen, die abhängig von der Anordnung der Strukturen ähnlich ungewöhnliche magnetische Hysteresekurven zeigen können.

Projektziel war die Untersuchung des Potenzials der Kernspinresonanz (NMR) als Methode zur Messung möglicherweise wechselwirkender Nanostrukturen. Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Präparation der Nanostrukturen wurde der Schwerpunkt auf eine detaillierte Charakterisierung der zugrunde liegenden Basismaterialien mittels der Festkörper-NMR verschoben. Dabei wurden so verschiedene Stoffe wie der klassische Magnetit (Fe3O4) mit substituiertem Kobalt, metallisches Kobalt-Silizium, und ein Nickel-Bor basierter Supraleiter untersucht. Die Arbeiten am Magnetit zielten auf eine Aufklärung des Zusammenhangs zwischen der lokalen Umgebung von Kobalt in dieser Struktur und seinen magnetischen Eigenschaften. Das Interesse rührt von der Tatsache her, dass Kobalt in Magnetit eine große Magnetostriktion verursacht, also eine starke Kopplung zwischen Magnetismus und den Gitterkonstanten. Bei einer engen mechanischen Verbindung mit einem piezoelektrischen Material wird ein großer magnetoelektrischer Effekt erwartet ein Nanokomposit, bei dem der Magnetismus über eine elektrische Spannung steuerbar ist. Die Charakterisierung der lokalen magnetischen Eigenschaften von Kobalt in nasschemisch präparierten Magnetit- Pulvern mit sub-mikrometer Korndurchmessern hat gezeigt, dass diese trotz guter Kristallstruktur sehr inhomogen sind, was die makroskopische Magnetostriktion drastisch reduziert. In einem Vergleich dieser NMR-Resultate mit theoretischen Berechnungen für Kobalt in verschiedenen lokalen Umgebungen im Magnetit wird dies weiter untersucht. Das System Kobalt-Silizium ist durch die Verbindung zwischen dem Standard der Halbleitertechnologie und einem klassischen ferromagnetischen Metall interessant, die Wege zu magnetischen Nanaostrukturen eröffnen sollte. Bei den Kobalt-siliziden tritt, im Gegensatz zum komplexen magnetischen Phasendiagramm der Mangan-silizide, Supraleitung auf. So war es überraschend, dass in diesem Projekt die NMR an einem Einkristall einen magnetischen Phasenübergang mit extrem kleinem Moment gezeigt hat. Dieser wurde detailliert mit NMR gemessen und die Ergebnisse werden zur Zeit mit theoretischen Berechnungen der Bandstruktur verglichen. Die NMR-Charakterisierung der Nickel-Bor basierten Supraleiter konnte abgeschlossen werden. Zum einen war hier der direkte, quantitative Vergleich der NMR-Messungen mit den parameterfreien Bandstrukturrechnungen sehr erfolgreich. Zum anderen konnte das dynamische Verhalten der Flusslinien im schwachen Potential der Gitterdefekte quantitativ verstanden werden.