Charakterisierung dipolarer Wechselwirkungen magnetischer Nanopartikel in mesoskopischen Ensembles

Abstract

Die Eigenschaften von Materialien werden nicht nur durch die Charakteristika auf atomarer Ebene bestimmt, sondern ebenfalls durch die Rahmenbedingungen auf makroskopischen Skalen. So kann unter anderem die Form eines Festkörpers eine entscheidende Bedeutung für die Eigenschaften eben dieses haben. Beispielsweise führt dies im Falle eines Magneten dazu, dass auf Grund von dessen Demagnetisierung gewisse präferierte Raumachsen für die Orientierung der makroskopischen Magnetisierung beobachtet werden können. Im Zuge einer stetigen Optimierung verschiedenster Syntheseverfahren ist es mit modernen Methoden möglich geworden, Rahmenbedingungen zur Manipulation der Eigenschaften eines Festkörpers nicht mehr ausschließlich auf makroskopischer Ebene (> 10-6 m) bzw. atomarer Ebene (<10-9 m) vorzugeben, sondern diese ebenfalls im Bereich zwischen makroskopischer und atomarer Ebene, der mesoskopischen Skala (etwa 10-8 m bis 10-6 m), vorzunehmen. Hier ist im Besonderen der Fortschritt chemischer Verfahren hervorzuheben, welche es heute ermöglichen, Strukturen bestehend aus wenigen bis einigen tausend Atomen zu synthetisieren, sogenannte Nanopartikel (NP). Unter Verwendung von NP mit wohldefinierter Form und einer sehr schmalen Größenverteilung lassen sich durch Ausnutzung von Selbstorganisationsprozessen hochgeordnete, periodische NP-Gitter bzw. NP-Kristalle herstellen. Da es sich hierbei um einen mesoskopisch strukturierten Kristall handelt, werden diese verallgemeinert als Mesokristalle bezeichnet. Mesokristalle stellen somit eine Klasse von Metamaterialen dar. Diese Metamaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass kleinere Bausteine eines Festkörpers periodisch angeordnet in eine größere Struktur eingebunden sind. Durch diese periodische Anordnung können Phänomene auftreten, welche im unstrukturierten Volumenmaterial nicht beobachtet werden können. Diese neuartigen Phänomene in hierarchisch aufgebauten Materialen zu charakterisieren ist sowohl aus fundamentaler, wissenschaftlicher Perspektive als auch aus technischer Sicht von großem Interesse. Entspricht etwa die Größe der verwendeten NP im Mesokristall der typischen Wechselwirkungslänge des entsprechenden Volumenmaterials, so sind Abweichungen der zugehörigen Materialparameter zu erwarten, die es zu charakterisieren und zu verstehen gilt. Weiterhin ermöglichen es die Eigenschaften von Metamaterialien, die Ausbreitung von elektromagnetische Wellen zu manipulieren, was weit über den Rahmen konventioneller Materialien hinausgeht. Beispielsweise ändern sich die Transmissions- bzw. Reflektionseigenschaften eines Materials grundlegend, wenn die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle der Periodizität des Mesokristalls entspricht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die magnetischen Eigenschaften von Strukturen bestehend aus magnetischen Nanopartikeln (MNP) systematisch untersucht. Ein zentraler Aspekt hierbei war es einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen den MNP in hochgehordneten, wohldefinierten Anordnungen zu leisten. In Publikation 1 wird zunächst die Wechselwirkung benachbarter kreisförmiger MNP-Anordnungen behandelt. Die einzelnen MNP haben einen Durchmesser von 20 nm und weisen eine Polyethylenglycol-Beschichtung auf, wodurch sich ein Interpartikelabstand von etwa 2 nm ergibt. Mit Hilfe von Ferromagnetischen-Resonanz Experimenten (FMR) konnte gezeigt werden, dass bei solchen MNP-Anordnungen mit einer Ausdehnung im Bereich einiger 100 nm zwei resonante magnetische Schwingungsmoden, eine Haupt- und eine Nebenresonanz, auftreten. Eine systematische Verringerung des Abstandes zwischen den kreisförmigen MNP-Anordnungen hat zur Folge, dass die beobachtete Nebenresonanz an Intensität zunimmt. Weiterhin konnte bei einer Verringerung der Abstände eine zunehmende Winkelabhängigkeit der Resonanzfeldstärke in winkelabhängigen FMR-Experimenten nachgewiesen werden. Dies konnte darauf zurückgeführt werden, dass die Nebenresonanz auf den Randbereich der MNP-Anordnung beschränkt ist, wohingegen für die Hauptresonanz auf eine Mode des zentralen Bereichs geschlossen wird. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde in Publikation 2 der Ursprung der beiden Resonanzen näher untersucht. Hierfür wurden 20 nm große MNPs mit einer Ölsäure-Beschichtung in einer hochgeordneten, hexagonalen Anordnung auf einem Substrat abgeschieden und anschließend mittels Elektronenstrahllithographie in ein kreisförmiges MNP-Ensemble von etwa 450 nm Durchmesser strukturiert. Durch ortsaufgelöste Brillouin-Licht-Streuung (BLS) konnten die Interpretationen aus Publikation 1 in Bezug auf die resonanten Bereiche der beiden Signale weiter untermauert werden. Weiterhin konnte im Rahmen frequenzabhängiger Messungen dargelegt werden, inwiefern das Intensitätsverhältnis der beiden Signale durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung innerhalb der Struktur bestimmt wird. Während in den beiden ersten Arbeiten der Fokus auf die Eigenschaften von MNPEnsembles im Zusammenhang mit ihrer äußeren Form auf der Mikrometer-Skala beziehungsweise auf die Wechselwirkung zwischen ihnen gelegt wurde, befasst sich Publikation 3 genauer mit den magnetischen Charakteristika von Mesokristallen, welche auf der Nanometer-Skala durch den Abstand der MNP und damit durch die Gitterkonstante des Mesokristalls beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang wurde der Durchmesser und der Interpartikelabstand der MNP systematisch variiert. Im Rahmen von FMRExperimenten an zweidimensionalen (2D) Mesokristallen wurde untersucht, inwiefern die dynamischen Eigenschaften von dem entsprechenden MNP-Gitter beeinflusst werden. Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die entsprechenden Materialparameter, wie die Magnetisierung und die effektive Anisotropie der MNP, im Vergleich zu dem Volumenmaterial verringert sind. Dies wird auf strukturelle Defekte innerhalb der MNP zurückgeführt, welche zur Bildung von Subdomänen innerhalb der MNP führen und somit die Reduktion dieser Materialparameter erklären.