In-situ Magnetometrie von nanoporösen Metallen

Das Projekt befasst sich mit magnetischen Untersuchungen von nanoporösen Metallen und Legierungen, die durch sog. Dealloying hergestellt werden, einer Methode, bei der sich die nanoporöse Struktur aus einer Legierung durch elektrochemisches Herauslösen der weniger edlen Komponente bildet. Aufgrund des hohen Oberflächenanteils ist diese Materialklasse nicht nur für Anwendungen, wie z.B. Sensorik und Katalyse, attraktiv, sondern auch im Hinblick auf durchstimmbare Eigenschaften durch elektrochemische Beladung. Zugrunde liegt hier die Idee, durch Aufbringen hoher Oberflächenladungsdichten an Oberflächen-Elektrolyt Grenzflächen, die makroskopischen Materialeigenschaften, wie das magnetische Moment, in kontrollierter Weise zu verändern. Aufbauend auf unseren kürzlichen Fortschritten bei der Entwicklung einer in-situ Technik zur Messung der Variation von magnetischen Momenten in einem Magnetometer unter vollständiger Kontrolle der dabei ablaufenden elektrochemischen Prozesse, liegt der Fokus dieses Projekts auf der in-situ Magnetometrie von nanoporösen Metallen während dealloying und Beladung. Palladium und Pd-reiche Pd-Co Legierungen dienen als Modellsystem, da aufgrund der elektronischen Eigenschaften von Pd eine hohe Empfindlichkeit des magnetischen Moments bezüglich Beladung zu erwarten ist. Das Projekt zielt auf die Beantwortung der Frage nach dem primären Mechanismus, der dem ladungs-induzierten Prozess zugrunde liegt. Die herausfordernde Frage soll angegangen werden, ob Magnetismus schaltbar gemacht werden kann, d.h., ob ein ladungsinduzierter Übergang zwischen dem paramagnetischen und ferromagnetischen Zustand durch geeignete Einstellung der chemischen Zusammensetzung von Pd-Co ermöglicht werden kann. Die in-situ Methode soll darüberhinaus eingesetzt werden, um den dealloying-Prozess selbst zu untersuchen, nämlich durch kontinuierliches magnetisches Monitoring des elektrochemischen Herauslösens von Co. Zum Zwecke der Referenz werden vergleichende Untersuchungen auch an wohldefinierten Dünnschicht-Modellsystemen durchgeführt. Mit dem Projekt wird wissenschaftliches Neuland sowohl hinsichtlich der Materialklasse, der wissenschaftlichen Fragestellung und der angewandten Methodik betreten.Die in-situ Untersuchungen liefern einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis des Dealloying-Prozesses. Besonders attraktiv sind die Perspektiven bezüglich des schaltbaren Magnetismus. Ein wichtiger methoden-orientierter Aspekt des Projekts umfasst die weitere Implementierung und Anwendung der magnetischen in-situ Technik sowie deren Erweiterung auf neuartige Problemstellungen, wie das in-situ dealloying. Derartiges magnetisches in-situ Monitoring von elektrochemischen Vorgängen an Oberflächen bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Materialforschung, von dünnen Filmen bis hin zu Batteriematerialien.

In-situ Magnetometrie von nanoporösen Metallen In diesem Projekt ist es gelungen, den Magnetismus einer nanoskaligen hochporösen Legierung durch elektrochemische Wasserstoffbe- und entladung reversibel zu schalten. Spannungskontrollierter Magnetismus hat sich zu einem wichtigem Forschungsfeld entwickelt, da ein energieeffizientes Schalten von Magneten für unterschiedlichste Anwendungen von hohem Interesse ist. Aus einer Vielzahl von magneto-elektrischen Ansätzen, welche hierzu verfolgt werden, ist der magneto-ionische Effekt besonders vielversprechend. Bei diesem werden die magnetischen Eigenschaften durch spannungskontrollierte elektrochemische Reaktionen beeinflusst. Materialien mit einem großen Verhältnis von Oberfläche-zu-Volumen sind dafür von Vorteil, da einerseits ein größerer Anteil von Oberflächenatomen chemisch beeinflussbar wird und andererseits auch der kinetische Ablauf von Reaktionen, wie der Einbau von Wasserstoffatomen ins Kristallgitter, beschleunigt wird. Besonders hierfür geeignete Materialien sind Metalle mit hoher nanoskaliger Porosität, sog. nanoporöse Metalle. Diese werden durch einen selektiven elektrochemischen Auflöseprozess einer Komponente aus einer Legierung, sog. elektrochemisches Entlegieren, hergestellt. Chemische Zusammensetzung, Porengröße und spezifische Oberfläche der nanoporösen Metallelektroden können bei dem Produktionsprozess adaptiert werden. Im Zuge dieses Projektes wurden nanoporöse Metallelektroden, welche durch Entlegieren hergestellt werden, erstmals in das Forschungsfeld der Magneto-Ionik eingeführt. Als Materialsystem wurde eine Kobalt-reiche Kobalt-Palladium Legierung gewählt. Zum einen, weil die magnetischen Eigenschaften des daraus hergestellten nanoporösen Palladiums über den nach dem Entlegieren verbleibenden Restgehalt an Kobalt angepasst werden können, und zum anderen, weil die nanoporöse Palladiummatrix ein effizientes Wirtsgitter für Wasserstoffatome darstellt. Der elektrochemische Wasserstoffeinbau bildet die Grundlage für den magneto-ionischen Effekt in nanoporösem Palladium. Methodisch basiert dieses Projekt auf der am Institut entwickelten speziellen Expertise zur Messung der Variation von magnetischen Momenten in einem Magnetometer unter vollständiger Kontrolle der dabei ablaufenden elektrochemischen Prozesse, sog. in-situ Magnetometrie. Ein Projektteil widmete sich dem elektrochemischen Entlegierungsprozess selbst, indem insbesondere die Entwicklung der magnetischen Eigenschaften in-situ durch Magnetometrie untersucht wurde. Es zeigt sich, dass die nanoporöse Palladium-Struktur Kobaltreiche Cluster enthält, die ein spezielles magnetisches sog. superparamagnetisches Verhalten aufweisen und deren Größe über den Herstellungsprozess bzw. eine nachfolgende Temperaturbehandlung eingestellt werden kann. Im zentralen Projektteil wurde das Schalten magnetischer Eigenschaften durch elektrochemische Beladung untersucht. Durch Be- und Entladung von Wasserstoff konnte ein völlig reversibles Schalten über den magneto-ionischen Effekt mit einer Amplitude von 100% erzielt werden. Da dieses Phänomen in der Literatur bisher nicht bekannt ist, werden alle Einflüsse auf die magnetischen Eigenschaften gründlich diskutiert, um schließlich einen neuartigen magneto-ionischen Mechanismus vorzustellen. Dieser basiert auf einer magnetischen Kopplung zwischen superparamagnetischen Clustern, die durch den Wasserstoff zwischen den Clustern verstärkt wird. Das vorgestellte neuartige magneto-ionische Schaltkonzept eröffnet hochinteressante Zukunftsperspektiven.