The large magneto-crystalline anisotropy energy of the L10 phase has pushed the interest to the FePt nanoparticles to get smallest possible not superparamagnetic particles for magnetic data storage media. The DC magnetron sputtering process, in an inert gas atmosphere and subsequently ejection into high vacuum via differential pumping in addition with a newly constructed light furnace, allows us to have a predeposition annealing of FePt nanoparticles. The advantage compared to wet chemical process route is, that we can prevent the growing of particles on a substrate. In order to determine the experimentally hardly accessible temperature of the particles, the thermal history of the particles is rather calculated from the interaction with the light field along the flight path through the light furnace used for the in-flight annealing. The results obtained for the particle temperature are corroborated by experimental findings on the sintering of agglomerated particles and change in magnetic properties due to heating over the L10 stability temperature. The experiments reveal that the effect of the thermal treatment on both the structural and magnetic properties of the FePt nanoparticles strongly depends on the particles’ crystal structure. The magnetic behavior shows a size depending effective uniaxial magnetic anisotropy constant. This behavior is strongly correlated to the structure of the 5 nm to 8 nm L10 FePt particle.:Einleitung 1 Grundlagen 1.1 Eisen-Platin Nanopartikel 1.1.1 Das System Eisen-Platin 1.1.2 Die A1 - L10 Phasenumwandlung 1.1.3 Größeneinflüsse auf Phasenstabilität und strukturelle Allotropie 1.2 Magnetische Eigenschaften 1.2.1 Magnetokristalline Anisotropieenergie 1.2.2 Ummagnetisierungsverhalten nach Stoner-Wohlfarth (SW) 1.2.3 Ummagnetisierungsverhalten mit kubischer Anisotropie 1.2.4 Skalierungseffekte - Superparamagnetismus 1.2.5 Magnetische Wechselwirkungen zwischen Partikeln 1.3 Nanopartikelentstehung und Thermodynamik der Phasenbildung 1.3.1 Nukleation von Nanopartikeln aus der Gasphase 1.3.2 Partikelwachstum 1.4 Definition der Fragestellung 2 Experimentelles und Methoden 2.1 Das Nanopartikel-Depositions-System 2.2 Konstruktion und Aufbau des Lichtofens 2.2.1 Vermessung der Lichtofenleistung 2.2.2 Justage des Lichtofens 2.3 Optische Wärmebehandlung von Nanopartikeln 2.3.1 Wärmeströme 2.3.2 Absorptionsquerschnitt 2.3.3 Dielektrische Funktion 2.3.4 Schwarzkörperstrahlung 2.3.4.1 Beschreibung des Spektrums von Halogenlampen 2.3.4.2 Abstrahlungsleistung von Nanopartikeln 2.4 Berechnung der Partikeltemperatur 2.4.1 Optische Konstanten für L10-FePt Nanopartikel 2.4.2 Strahlungsverhalten freier Partikel 2.4.3 Numerische Berechnung der Partikelgeschwindigkeit 2.4.4 Experimentelle Bestimmung der Wärmekapazität von FePt 2.4.5 Bestimmung der Partikeltemperatur durch iterative Integration 2.4.6 Zusammenfassende Bewertung zum Optischen Heizen 2.5 Charakterisierung mittels TEM- und HRTEM-Analysen 2.5.1 Bestimmung der Größenverteilung 2.5.2 Bestimmung des Agglomerationsgrades 2.5.3 Auswertung der Kristallstruktur mittels HRTEM 2.6 Magnetisierungsmessungen 2.6.1 Magnetische Charakterisierung mittels VSM-Messungen 2.6.2 Messung der Hysterese-Schleife 2.6.3 Remanenzanalyse 3 Sintern von Partikeln 3.1 Optisches Heizen im Flug 3.2 Diskussion 4 Optimierung der Herstellungsparameter anhand HRTEM-Strukturanalyse 4.1 Einzelpartikel 4.1.1 Ungeheizte Einzelpartikel 4.1.2 Geheizte Einzelpartikel 4.2 Partikel-Agglomerate 4.2.1 Ungeheizte Agglomerate 4.2.2 Geheizte Agglomerate mit hohem Targetalter 4.2.3 Geheizte Agglomerate mit geringem Targetalter 4.3 Diskussion 5 Magnetische Eigenschaften geheizter Partikel 5.1 Einfluss der Wärmebehandlung auf die magnetische Hysterese 5.1.1 Überheizen kleiner Partikel 5.1.2 Überheizen großer Partikel 5.2 Magnetisierungsprozess 5.2.1 Messung des Remanenzverhaltens kleiner und großer Partikel 5.2.2 Temperaturabhängigkeit der Schaltfeldverteilung 5.3 Diskussion 6 Korrelation der effektiven Anisotropie mit der Partikelgrößenverteilung 6.1 Bestimmung der effektiven uniaxialen und kubischen Anisotropieverteilung 6.2 Korrelation der Partikelgröße mit der Anisotropie für kleine Partikel 6.3 Korrelation der Partikelgröße mit der Anisotropie für große Partikel 6.4 Diskussion 7 Zusammenfassung Literaturverzeichnis

L'objectif de ce travail de thèse est de préparer des fils de CoPt et FePt par dépôt électrochimique dans des membranes d'alumine nanoporeuse. Le bain électrochimique que nous avons utilisé comprend seulement deux sels (des chlorures), un pour le cobalt (CoCl2, 6H2O) et un pour le platine (K2PtCl6). Nous avons réussi à réaliser des réseaux de nanofils de CoPt ayant des diamètres d'environ 70-80 nm et dont la coercitivité atteint 1.1 Tesla à température ambiante. Ces matériaux magnétiquement durs présentent la phase quadratique L10 obtenue après un recuit à 700 °C de la phase cubique déposée.<br />Nous avons étudié les propriétés structurales et magnétiques d'échantillons préparés dans les deux types de membranes que nous avons utilisées: des membranes faites au laboratoire par anodisation d'une couche d'aluminium et des membranes commerciales. Les mesures magnétiques effectuées parallèlement et perpendiculairement à l'axe des fils montrent un comportement parfaitement isotrope. La qualité des deux types de réseau de pores utilisés ne semble pas avoir d'influence sur les propriétés magnétiques et en particulier sur le champ coercitif des échantillons étudiés. Les paramètres (température, durée) du recuit sont les paramètres essentiels pour obtenir la transformation la plus complète possible de la phase cubique déposée en la phase quadratique ordonnée L10 .<br />La préparation de nanofils de FePt s'est révélée plus compliquée du fait de la facilité du fer à former des oxydes. Nous avons tout de même réussi à préparer des réseaux de nanofils de FePt de 55~nm de diamètre avec une coercitivité de 1.1 Tesla mais non homogènes en composition.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kontinuierlichen FePt-L10-Dünnschichten. Der Fokus liegt dabei auf den strukturellen Eigenschaften der FePt-Legierung in der chemisch geordneten L10-Phase und deren Auswirkungen auf magnetische Eigenschaften des Systems. Die Quantifizierung der chemischen Ordnung erfolgte durch Röntgenbeugung (XRD). Die magnetische Hysterese wurde durch SQUID-VSM untersucht. Die Analyse der Oberflächentopografie erfolgte mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM). Es konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von L10-geordneten und gleichzeitig kontinuierlichen FePt-Schichten mittels Magnetronsputterdeposition bei hohen Temperaturen von 500°C bis 600°C möglich ist. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der senkrechten magnetokristallinen Anisotropie von der chemischen Ordnung untersucht. Es konnte eine Anisotropieenergiedichte von 27 Merg/ccm erreicht werden.:1 Einleitung 2 Theorie 2.1 Magnetische Materialien 2.1.1 Grundlagen 2.1.2 Magnetische Hysterese 2.1.3 Magnetische Anisotropie 2.2 FePt-Legierungen 2.2.1 Strukturelle Eigenschaften und chemische Ordnung 2.2.2 Magnetische Eigenschaften 3 Experimentelle Methoden 3.1 Magnetronsputterdeposition 3.2 Röntgenbeugung und Röntgenreflektometrie 3.2.1 Röntgenbeugung 3.2.2 Röntgenreflektometrie 3.3 Rasterkraftmikroskopie 3.4 Magnetometrie 3.5 Transmissionselektronenmikroskopie 3.6 Rutherfordrückstreuspektrometrie 3.7 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 4 Qualität der MgO-Substrate 5 Hergestellte FePt-Schichten 6 Ergebnisse 6.1 Chemische Ordnung von FePt 6.2 Kontinuität von dünnen FePt-Schichten 6.2.1 Oberflächenanalyse mit Rasterkraftmikroskopie 6.2.2 Hinweise auf kontinuierliche Schichten 6.2.3 Verunreinigungen der Probenoberfläche 6.3 Magnetische Eigenschaften von FePt 7 Zusammenfassung 8 Ausblick Literatur

En raison de leur constante d'anisotropie magnétocristalline particulièrement élevée,les nanoparticules de FePt cristallisant dans la phase " chimiquement " ordonnée L10présentent un grand intérêt pour la réalisation de média magnétiques discrets à très hautedensité (>1 Tb/in2) jusqu'à un diamètre limite de 3,5 nm. Nos travaux portent sur la synthèsepar voie chimique (thermolyse) de nanoparticules de FePt-ɣ, calibrées en taille (4 ≤ Ø ≤ 8 nm)et de composition chimique proche de Fe50Pt50. Par la suite, leur transition vers la variété L10est réalisée afin de leur assurer un comportement ferromagnétique fort à 300 K. En dépitd'une composition non homogène en fer au sein de chaque nanoparticule (coeur riche enplatine et surface davantage riche en fer), la phase L10 est obtenue après un recuit sousatmosphère réductrice (Ar/H2 5%) à des températures supérieures à 650°C. Par ailleurs, afinde prévenir la coalescence des nanoparticules lors du recuit, trois méthodes de protectionsdistinctes ont montré leur efficacité : une matrice de NaCl, des écorces de silice amorphe etde MgO cristallisé. Cette dernière méthode de protection a permis, une fois les recuitsréalisés, de redisperser les nanoparticules de FePt-L10 par le biais d'une modification de leursurface par des chaînes de Polyoxyde d'éthylène-thiol (Mn =2000 g.mol-1). Une encremagnétique est obtenue une fois ces nanoparticules mises en solution avec desmacromolécules de copolymères à blocs Polystyrène-b-Polyoxyde d'éthylène. Le dépôt decette encre sur un substrat permet de former, après auto-assemblage supramoléculaire desmacromolécules, un film hybride contenant les nanoparticules ferromagnétiques FePt-L10localisées sélectivement dans les domaines cylindriques de POE.

En raison de leur constante d’anisotropie magnétocristalline particulièrement élevée,les nanoparticules de FePt cristallisant dans la phase « chimiquement » ordonnée L10présentent un grand intérêt pour la réalisation de média magnétiques discrets à très hautedensité (>1 Tb/in2) jusqu’à un diamètre limite de 3,5 nm. Nos travaux portent sur la synthèsepar voie chimique (thermolyse) de nanoparticules de FePt-ɣ, calibrées en taille (4 ≤ Ø ≤ 8 nm)et de composition chimique proche de Fe50Pt50. Par la suite, leur transition vers la variété L10est réalisée afin de leur assurer un comportement ferromagnétique fort à 300 K. En dépitd’une composition non homogène en fer au sein de chaque nanoparticule (coeur riche enplatine et surface davantage riche en fer), la phase L10 est obtenue après un recuit sousatmosphère réductrice (Ar/H2 5%) à des températures supérieures à 650°C. Par ailleurs, afinde prévenir la coalescence des nanoparticules lors du recuit, trois méthodes de protectionsdistinctes ont montré leur efficacité : une matrice de NaCl, des écorces de silice amorphe etde MgO cristallisé. Cette dernière méthode de protection a permis, une fois les recuitsréalisés, de redisperser les nanoparticules de FePt-L10 par le biais d’une modification de leursurface par des chaînes de Polyoxyde d’éthylène-thiol (Mn =2000 g.mol-1). Une encremagnétique est obtenue une fois ces nanoparticules mises en solution avec desmacromolécules de copolymères à blocs Polystyrène-b-Polyoxyde d’éthylène. Le dépôt decette encre sur un substrat permet de former, après auto-assemblage supramoléculaire desmacromolécules, un film hybride contenant les nanoparticules ferromagnétiques FePt-L10localisées sélectivement dans les domaines cylindriques de POE. / Nanoparticles made of FePt alloy in a face-centered-tetragonal (fct) structure have agreat interest for the enhancement of data density (> 1 Tbit/in²) in magnetic recordingmedia due to their high magneto-crystalline anisotropy and low critical diameters (3.5 nm).Our works lie in the synthesis of ɣ-FePt nanoparticles controlled in size (4 ≤ Ø ≤ 8 nm) andchemical composition (≈ Fe50Pt50) by thermal decomposition of organometallic precursors.Following ɣ-FePt NPs synthesis, annealing at high temperature is required for a completetransition from fcc to fct structure (L10) that ensure a ferromagnetic behavior at ambient.Despite a non-homogenous chemical composition on each nanoparticles (platinum-rich coreand iron-rich surface), L10 structure has been obtained after annealing under atmosphereAr/H2 (5%), at temperature up to 650°C. To prevent coalescence of FePt NPs duringannealing, tree distinct protection routes have shown their effectiveness: an inert NaClmatrix, an amorphous silica shell or a crystalline MgO shell. This last method shows bestresults in redispersion of L10-FePt nanoparticles after annealing via surface modification ofnanoparticles by PEO-thiol chains (Mn =2000 g.mol-1). A magnetic ink is then formulated inpresence of PS-b-PEO macromolecules. At least, this as-made ink is deposited on a substrateto obtain, after copolymer self-assembly, a hybrid film containing ferromagnetic L10-FePtnanoparticles selectively located into PEO cylindrical domains.