Strukturelle, optische und magnetische Eigenschaften von nanokristallinen Metalloxid-Dünnfilmen mit mesoporöser Morphologie

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von magnetischen Metalloxid-Dünnfilmen mit periodisch an-geordneten Mesoporen und kristallinen Porenwänden. Die Porensysteme wurden mithilfe von amphiphilen Blockcopolymeren und molekularen Präkursoren über einen verdampfungsinduzierten Selbstaggregationsprozess hergestellt. In diesem ordnen sich die letztgenannten organischen und anorganischen Bausteine gezielt zu mesoskopischen Nanostrukturen an. Insgesamt wurden drei komplexe Ver-bindungsklassen an ternären Metalloxiden in mesoporöser Form erfolgreich her-gestellt. Im Einzelnen waren dies Chrom- und Eisen-basierte Spinelle, Seltenerd-Eisen-Granate sowie Seltenerd-Orthoferrite. In diesem Zusammenhang sind zu nennen: Cobaltchromit (CoCr2O4), Cadmiumferrit (CdFe2O4), Yttrium-Eisen-Granat (Y3Fe5O12) und Lutetium-Orthoferrit (LuFeO3). Zur Veranschaulichung und Beschreibung der Porenmorphologie wurden verschiedene bildgebende Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Trans-missionselektronenmikroskopie eingesetzt. Ergänzend zu diesen Verfahren wurden weitere Charakterisierungsmethoden wie Röntgen-Photoelektronen-spektroskopie, Raman-Spektroskopie und SQUID-Magnetometrie eingesetzt, um Erkenntnisse über die atomare Zusammensetzung der Metalloxide zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass sich beispielsweise die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von CoCr2O4 und Y3Fe5O12 nicht wesentlich vom entsprechenden Bulkmaterial unterscheiden. Dahingegen zeigte CdFe2O4 sowohl ein ab-weichendes magnetisches als auch optisches Verhalten.

This thesis addresses the preparation and characterization of magnetic metal oxide thin films with periodically arranged mesopores and crystalline pore walls. The pore systems were created using amphiphilic block copolymers and molecular precursors via an evaporation-induced self-assembly (EISA) process. In this pro-cess the latter organic and inorganic building blocks form well-defined mesoscopic nanostructures. Overall, three complex compound classes of ternary metal oxides were successfully produced in mesoporous state. In particular, these were chromite and ferrite spinels, rare-earth iron garnets and rare-earth orthoferrites. The main compounds include cobalt chromite (CoCr2O4), cadmium ferrite (CdFe2O4), yttrium iron garnet (Y3Fe5O12) and lutetium orthoferrite (LuFeO3). Various imaging methods were used to depict and describe the pore morphology such as scanning electron microscopy, atomic force microscopy und transmission electron microscopy. In order to gain insights into the atomic composition of the metal oxides, additional techniques including X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy and SQUID magnetometry were employed. For example it was found, that the structural and magnetic characteristics of CoCr2O4 and Y3Fe5O12 did not differ substantially from their bulk counterpart. In contrast, CdFe2O4 exhibited deviating magnetic and optical behavior.