Nanomagnete im Kohlenstoffmantel

  • 10. July 2013

Züchtung magnetischer Nanokristalle im Innern von Kohlenstoff­nano­röhren gelungen.

Im Zeitalter der Nanotechnologie sind die Wissenschaftler bestrebt, alles immer kleiner zu machen. Dabei sollen jene chemischen und physikalischen Eigenschaften erhalten bleiben, die für die Funktionalität von Materialien und elektronischen Bauelementen wichtig sind. Manchmal ergeben sich aber durch den Übergang in die Nanometer-Bereich Änderungen, die ganz neue Funktionen ermöglichen. Am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden IFW haben Wissenschaftler magnetischen Nanokristalle gezüchtet, die besonders stark und korrosionsbeständig sind.

Metallnanopartikeln gefüllte Kohlenstoffnanoröhren

Abb.:  Ein Permanentmagnet hält mit Metallnanopartikeln gefüllte Kohlenstoffnanoröhren am Boden eines Uhrglases fest. (Bild: IFW)

Die neue Methode besticht vor allem durch ihre Einfachheit und Eleganz. In einer wässrigen Lösung der Metallsalze der Verbindungskomponenten Kobalt, Eisen und Gallium werden die Kohlenstoffnanoröhren bei moderaten Temperaturen behandelt, filtriert, getrocknet und unter Wasserstoffzufuhr zur Zielverbindung reduziert. Auf diese Weise entstehen kugelförmige, voneinander separierte Partikel, die wie eine locker gefädelte Perlenkette das Innere der Kohlenstoffnanoröhren ausfüllen.

Diese dienen während der Synthese als Schablone für die Größe der Nanopartikel. Durch die Variation des Innendurchmessers der Kohlenstoffnanoröhren lässt sich ihre Größe kontrollieren. In den ersten Experimenten der Forscher betrug der Durchmesser der Partikel etwa 35 nm, was genau dem Innendurchmesser der Röhrchen entspricht. Nach vollendeter Synthese bilden die Kohlenstoffnanoröhren eine schützende Hülle gegen Korrosion und andere chemische Veränderungen. Die chemische Stabilität der ummantelten Partikel ist ein großer Vorteil, da Korrosion in metallischen Materialien immer ein Problem darstellt.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanokristallen

Abb.: Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanokristallen (helle Punkte) im Innern einer Kohlenstoffnanoröhre (Bild: IFW)

Genaue mikroskopische Untersuchungen der Nanopartikel zeigen, dass die neue Methode wohlgeordnete Kristallstrukturen hervorbringt. Hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften zeigen diese Nanopartikel magnetische Koerzitivfeldstärken, die dreißigmal größer sind als in makroskopisch großen Körnen desselben Materials. Die Koerzitivfeldstärke ist das Maß für die magnetische Feldstärke, die notwendig ist, um eine ferromagnetische Substanz vollständig zu entmagnetisieren. Je höher die Koerzitivfeldstärke, desto schwieriger ist es, den Magneten zu entmagnetisieren. Die enorme Steigerung der Koerzitivfeldstärke der Nanopartikel wird auf eine Veränderung der magnetischen Domänenstruktur zurückgeführt. Während Massivmaterial und dünne Schichten Bereiche unterschiedlicher Magnetisierung ausbilden, weisen die Nanopartikel auf Grund ihrer geringen Größe nur wenige solcher Domänen aus oder sind sogar ein-domänig.

Die Kobalt-Eisen-Gallium-Verbindung Co2FeGa gehört zur Klasse der Heusler-Verbindungen. Das sind Verbindungen aus drei Elementen, die häufig halbleitend oder magnetisch sind. Benannt sind sie nach Fritz Heusler, der diese Verbindungsklasse 1903 entdeckte. Das Besondere an der ersten entdeckten Heusler-Verbindung, dem Cu2MnAl war, dass sie magnetisch ist, obwohl sie aus den nichtmagnetischen Elementen Kupfer, Mangan und Aluminium besteht. In jüngster Zeit rücken Heusler-Verbindungen verstärkt in den Fokus der Forschung, da sie elektronische und magnetische Eigenschaften haben, die für Anwendungen der Thermoelektrik und Spintronik interessant sind. Das hier beschriebene Verfahren, Heusler-Verbindungen in Kohlenstoffnanoröhren zu züchten, stellt eine echte Alternative dar, neue korrosionsbeständige Magnetmaterialien für verschiedene Anwendungen herzustellen, beispielsweise als Permanentmagnet oder für neue Formen von Elektronik.

IFW / CT

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