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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-65940
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6594/


Magnetite Nanotubes and Nickel Nanorods of Low Aspect Ratios : From Synthesis to Application in Ferrofluidic Suspensions

Magnetit Nanoröhrchen und Nickel Nanostäbchen mit kurzem Aspektverhältnis : Von der Synthese bis hin zur Anwendung in ferrofluidischen Suspensionen

Zierold, Robert

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SWD-Schlagwörter: Atomlagenabscheidung , Galvanische Abscheidung , Nanodraht , Nanoröhre , Magnetit , Viskosität
Basisklassifikation: 33.60 , 33.75 , 33.69 , 33.62
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Nielsch, Kornelius (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.07.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 05.02.2014
Kurzfassung auf Englisch: Magnetic nanoparticles which are suspended in a carrier medium can be utilized to influence the viscosity of the liquid suspension by an applied magnetic field. Such liquid suspensions are called magnetic fluids and usually consist of spherical particles.

In this thesis, elongated magnetite nanotubes and nickel nanorods with aspect ratios below ten are synthesized by two different template-based preparation routes. First, atomic layer deposition of iron oxide is combined with geometrically tunable porous alumina templates. The iron oxide deposition process, the subsequent reduction process as well as the structural and magnetic properties of thin films and magnetite nanotubes are studied. Second, nickel/copper multilayered electrodeposition in a porous template allows for the synthesis of long, multisegmented nanowires. A selective wet-chemical etching of the sacrificial copper phase results in short nickel nanorods.

For reference, the magnetic field- and shear frequency-dependent (magneto)viscosity of a commercial ferrofluidic suspension based on spherical cobalt ferrite particles is studied. Comparative measurements of the viscoelastic properties of nickel nanorod and iron oxide nanotube suspensions, in terms of the magnetoviscous effect, the shear thinning, and the shear moduli are presented and discussed. Based on these results, the differences in the magnetic field- and in the shear frequency-dependent viscoleastic behavior of spherical and elongated particle suspension are clearly derived.

Finally, hybrid suspensions are introduced which consist of spherical nanoparticles and a small amount (in the ppm range) of inorganic, elongated additive particles, namely nickel nanorods and superparamagnetic iron oxide nanotubes. The hybrid suspensions reveal an increase in the response behavior of their magnetoviscous effect compared to the pure liquid suspensions. Moreover, a concentration-, magnetic field-, and shear frequency-dependent sol-gel transition is found in such hybrid ferrofluids. Clustering around the elongated objects is derived as reason for the observed enhancement in the magnetoviscous properties of the inorganic hybrid suspensions.
Kurzfassung auf Deutsch: Magnetische Nanopartikel, die in einer Trägerlösung suspendiert sind, können dazu verwendet werden, die Viskosität der Suspension durch ein angelegtes Magnetfeld zu beeinflussen. Solche Suspensionen werden im Allgemeinen magnetische Flüssigkeiten genannt und bestehen üblicherweise aus runden Partikeln.

In dieser Doktorarbeit sollen längliche Magnetit-Nanoröhren und Nickel-Nanostäbchen (mit Aspektverhältnissen kleiner als zehn) auf zwei unterschiedlichen Synthesrouten, unter Verwendung von maßgeschneidertem, nanoporösem Aluminiumoxid als Maske, hergestellt werden. Im ersten Fall wird die Atomlagenabscheidung von Eisenoxid dazu verwendet, die Porenwände zu beschichten und auf diesem Weg Eisenoxide-Nanoröhrchen herzustellen. Der Eisenoxid-Abscheideprozesses, die anschließende Reduktion sowie die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von dünnen Magnetit-Schichten und Magnetit-Nanoröhren werden untersucht. Weiterhin erlaubt die elektrochemische Abscheidung von Nickel/Kupfer-Multischichten in einer porösen Membran die Synthese von langen, segmentierten Nanodrähten. In einem selektiven, nasschemischen Ätzprozess wird die Kupfer-Opferschicht entfernt und es verbleiben kurze, magnetische Nanostäbchen.

Als Vergleichsprobe wird die magnetfeld- und scherfrequenzabhängige Magnetoviskosität eines kommerziellen Ferrofluides (basierend auf sphärischen Kobaltferritpartikeln) experimentell bestimmt. Im Anschluss werden Messungen der viskoelastischen Eigenschaften von Suspensionen, basierend Nickel-Nanostäbchen und Eisenoxid-Nanoröhren, im Hinblick auf den magnetoviskosen Effekt, das scherverdünnende Verhalten sowie die Schermodule vorgestellt und diskutiert. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden die Unterschiede der magnetfeld- und der scherfrequenzabhängigen viskoelastischen Eigenschaften von kugelförmigen und länglichen magnetischen Partikeln in einer Trägerlösung herausgearbeitet.

Weiterhin werden hybride Suspensionen eingeführt, die hauptsächlich aus sphärischen Nanopartikeln und einer sehr geringen Menge (im ppm-Bereich) von anorganischen, länglichen Nanoobjekten, im Detail Nickel-Nanostäbchen und superparamagnetische Eisenoxid-Nanoröhren, bestehen. Diese hybriden Ferrofluide zeigen eine signifikante Vergrößerung des magnetoviskosen Effektes im Vergleich zu den reinen (ursprünglichen) Suspensionen. Darüber hinaus kann ein konzentrations-, magnetfeld-, und scherfrequenzabhängiger Sol-Gel-Übergang in solch hybriden, magnetischen Flüssigkeiten gefunden werden. Der Grund für die beobachtete Verbesserung der Magnetoviskosität in den anorganischen Hybrid-Suspensionen ist Agglomeration und Bindung der runden Nanopartikel um bzw. an die länglichen Objekte.

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