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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-73549
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7354/


Behaviour of anisotropy and magnetic moment in disordered iron-platinum nanoparticles determined by static and dynamic magnetization measurements

Verhalten der Anisotropie und des magnetischen Moments in ungeordneten Eisen-Platin Nanopartikeln bestimmt aus statischen und dynamischen Magnetisierungsmessungen

Wiekhorst, Frank

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Freie Schlagwörter (Englisch): magnetic nanoparticles , iron-platinum alloys , magnetic resonance spectroscopy , magnetization dynamics , magnetocrystalline anisotropy
Basisklassifikation: 33.61 , 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Nielsch, Kornelius (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.02.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 15.06.2015
Kurzfassung auf Englisch: This work presents the structural and magnetic characterization of platinum-rich Fe-Pt nanoparticles, which were prepared following a wet-chemical organometalic nanoparticle synthesis by thermal decomposition in the presence of stabilizing oleic acid. The behaviour of anisotropy and magnetic moment of FexPt1-x nanoparticles is investigated combining (quasi-)static magnetic magnetization measurements with dynamic susceptibility measurements at gigahertz frequencies. The structural characterization by TEM and XRD yield the presence of chemically disordered spherical FexPt1-x nanocrystals with a mean core diameter of about 4 nm and having a rather narrow log-normal size distribution. A platinum-rich composition of the nanoparticles with x in the range 0.1...0.25 is indicated by the lattice constant a0. The composition of the particles could be verified by relating the Curie temperature determined from ZFC-magnetization measurements to the composition. By annealing of the as synthesized particles at temperatures up to 800 K, no chemical ordering could be achieved. A log-normal distribution with mean anisotropy barrier energies EA about 300 K to 600 K is revealed from temperature dependent ZFC- and AC magnetization measurements, from which an effective anisotropy constants Keff of about Keff ~ 105 J/m3 follows. High field (H=10 kOe) magnetization measurements M(T) of FexPt1-x nanoparticles reveal Bloch type temperature dependent magnetic moments μp(T) with much smaller Bloch coefficients than observed in bulk systems. Mean particle moments μp(T=0 K) in the range 500 μB to 1000 μB extrapolated to T=0 K have been determined from magnetization isotherms M(H) incorporating the Bloch type temperature dependence. The isotropic g-factor determined by magnetic resonance spectroscopy (MRS) is linearly dependent on the composition x of the FexPt1-x nanoparticles. The dominating contribution to the g-factor is given by the spin moment. To describe the strong shift of the resonance field Hres towards zero field and the marked increase of the line-width ΔHpp observed in the MRS-spectra at lower temperatures, different models based on the phenomenological Landau-Lifshitz and Gilbert line shape models have been implemented and analysed. The mean anisotropy field HA could be determined from the shift of the resonance field Hres using an analytical expression describing Hres(HA) obtained from energy minimization of the free energy including field and anisotropy energy. A more convincing description describing the full measured line shapes could be achieved introducing a complex damping into the basic Landau-Lifshitz model.
Kurzfassung auf Deutsch: Im Schwerpunkt dieser Arbeit stand die Untersuchung der statischen und dynamischen magnetischen Eigenschaften nass-chemisch hergestellter Fe-Pt Nanopartikel mit organischer Umhüllung. Das magnetische Verhalten von Anisotropie und magnetischem Moment in FexPt1-x Nanopartikeln wurde anhand von (quasi-)statischen Magnetisierungsmessungen und Messungen der transversalen dynamischen magnetischen Suszeptibilität im Bereich von Mikrowellenfrequenzen ermittelt. Die strukturelle Charakterisierung mittels TEM und XRD ergab das Vorliegen von chemisch ungeordneten sphärischen FexPt1-x Nanokristallen mit einem mittleren Durchmesser von 4 nm und schmaler Log-Normal Größenverteilung. Die Gitterkonstanten a0 deuten auf eine Platin-reiche Zusammensetzung der FexPt1-x Nanopartikel mit x im Bereich 0.1...0.25 hin. Diese wurde über die Curie Temperatur, die aus magnetischen ZFC-Messungen an den vorhandenen FexPt1-x Nanopartikeln abgeleitet wurde, präzise ermittelt. Mit dem Heizen der Proben bis hoch zu Temperaturen von 800 K konnte keine chemisches Ordnen der FexPt1-x Partikel erzielt werden. Aus ZFC- und AC-Messungen ergab sich eine Log-Normal Verteilung der Anisotropieenergiebarrieren EA mit mittleren Energien von 300 K bis zu 600 K, aus der eine effektive Anisotropiekonstante Keff ~ 105 J/m3 folgt für die 4 nm FexPt1-x Nanopartikel. Hochfeld-Magnetisierungsmessungen M(T,H=10 kOe) der FexPt1-x Nanopartikel zeigen Blochsches Temperaturverhalten der magnetischen Momente, allerdings mit deutlich geringeren Blochkoefizienten als in bulk Systemen beobachtet wird. Aus den Magnetisierungsisothermen wurden mittlere Partikelmomente μp(T=0) im Bereich 500 μB bis 1000 μB ermittelt. Mit der Magnetischer Resonanzspektroskopie bei Raumtemperatur wurde der isotrope g-Faktor bestimmt, der linear mit der Komposition x der FexPt1-x Nanopartikel abnimmt. Dabei trägt das Spinmoment den größten Anteil am g-Faktor. Die Temperatur-abhängigen Resonanzspektren zeigen mit abnehmender Mess-Temperatur eine starke Abnahme der Resonanzfeldstärke Hres bei gleichzeitig deutlicher Zunahme der Linienbreite ΔHpp. Um dieses Verhalten zu beschreiben, wurden die phänomelogischen Landau-Lifshitz und Gilbert Modelle zur Beschreibung der Linienform erweitert und analysiert. Dabei konnte ein analytischer Ausdruck aus einer Energieminimierung unter Berücksichtigung von Feld- und Anisotropiebeiträgen gefunden werde, um das mittlere Anisotropiefeld HA aus der Verschiebung von Hres zu berechnen. Darüber hinaus wurde ein Landau-Lifshitz Ansatz mit komplexer Dämpfung vorgestellt, der eine überzeugende Beschreibung der Linienform der FexPt1-x Nanopartikel erlaubt.

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