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.

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

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:01:50Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2431_1.pdf: 3903715 bytes, checksum: f4ecb374f539aa4e3d0c912da52e2836 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2009 / No presente trabalho foram investigadas propriedades magnéticas dos nanocompósitos ferromagnéticos (Fe1−xCox)y(MnO)1−y, x = 0.4 e 0.6 e y = 0.35, 0.65 e 1, produzidos pela técnica de mecano-síntese. A caracterização estrutural e morfológica das amostras foi feita usando difração de raios x fazendo uso da equação de Scherrer, de gráficos de Williamson-Hall e refinamento Rietveld. Essas análises resultaram em valores de x e y muito próximos dos valores nominais e, dentro da resolução da técnica, não foi detectada a presença de outras fases. As amostras apresentaram valores de tamanho médio dos cristalitos muito próximos (12-14 nm) e valores reduzidos de micro-deformações (1.5% para Fe1−xCox e 0.4% para o MnO). As propriedades magnéticas foram investigadas utilizando várias técnicas de medida (SQUID, magnetometria por extração e magnetometria por amostra vibrante), medidas em um grande intervalo de temperatura T (5-700 K) e em campos magnéticos de até 2 T. A partir dessas medidas foram construídos gráficos de Henkel e curvas de inversão de primeira ordem (FORCs) à temperatura ambiente e em campos de até 1.5 T. Medidas de curvas de histerese foram utilizadas para determinar a dependência da coercividade (HC), da magnetização de saturação (MS) e do campo de exchange-bias (HEB) com T. Procedimentos de medidas de magnetização feitas resfriando a amostra a campo nulo (ZFC) e na presença de campo (FC) foram feitas no intervalo de temperatura 5-300 K para valores pequenos de campo magnético (até 5 mT). Os gráficos de Henkel e FORCs indicaram que na temperatura ambiente as interações magnéticas entre as nanopartículas de Fe1−xCox são predominantemente de origem dipolar e influenciada essencialmente pela quantidade de MnO presente nas amostras. Entretanto, no caso particular da amostra sem MnO, o gráfico de Henkel indicou uma mudança de comportamento acima de 0.25 T passando a interação de dipolar para ser predominantemente de exchange. Acima de 120 K (temperatura de Néel do MnO), as medidas de HC apresentaram um dependência com T do tipo T3/4. Este comportamento é característico de arranjos de partículas tipo Stoner-Wohlfarth orientadas aleatoriamente. Já abaixo de 120 K, HC é fortemente influenciado pela presença de MnO aumentando significativamente com a diminuição da temperatura. Similar crescimento com T foi observado nos valores de HEB o qual é visto apenas em temperaturas abaixo de 120 K. As medidas de MS apresentaram uma dependência tipo Lei de Bloch T3/2 para a amostra sem MnO em todo intervalo de temperatura (5-700 K), enquanto para as demais amostras esse comportamento foi observado para T>120 K. Abaixo dessa temperatura, a adição de MnO produz um aumento em MS. Também foi observado o efeito de exchange-bias para temperaturas inferiores à temperatura de Néel do MnO (120 K), com um significante aumento do campo de exchange-bias com a diminuição da temperatura. Por fim, observamos também um comportamento irreversível nas magnetizações ZFC e FC abaixo de 120 K nas amostras com MnO. Os resultados obtidos abaixo de 120 K foram interpretados como devidos a interações de curto alcance entre as nanopartículas e pela presença de momentos magnéticos não compensados nas interfaces entre partículas

В магистерской диссертации представлены результаты моделирования магнитных гистерезисных свойств ансамбля обменносвязанных частиц. Для выполнения компьютерного моделирования разработан пакет компьютерных программ в среде MATLAB, позволяющий моделировать и анализировать предельные и частные петли магнитного гистерезиса для однофазных и многофазных ансамблей с различными типами магнитной анизотропии, упорядочением фаз, а также при параметрической зависимости микроскопических констант от температуры. Все это реализовано в рамках модели однодоменных нанокристаллитов, имеющих однородную намагниченность, процесс изменения которой осуществляются за счет когерентного вращения. Разработан алгоритм параллельного расчета, позволяющий основные арифметические и логически операции выполнять на графических ускорителях. Полученные с его помощью численные результаты качественно соответствуют экспериментальным данным для системы Nd-Fe-B. / The results of magnetic properties modelling of the ensemble of exchange coupled particles are represented in this master's thesis. The computer modelling is realized in the MATLAB programming environment and allows performing calculations and analysis of major and minor magnetic hysteresis loops of single-phase or multiphase ensembles with different types of magnetic anisotropy, phase arrangement and with the parametric dependency of microscopic constants on temperature. The latter is based on the model of single domain nanocrystallites. Each of them has a uniform magnetization and any changes of one are happened by coherent rotation. The algorithm of parallel calculations using a graphic processing unit is also shown in the work. The obtained numeric results qualitatively are in compliance with the Nd-Fe-B experimental data.

In dieser Arbeit werden das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie und die Eigenschaften der Ferromagneten Fe und Fe_3Si auf niedrig-symmetirschen GaAs(113)A-Substraten studiert. Drei wichtige Aspekte werden untersucht: (i) Wachstum und strukturelle Charakterisierung, (ii) magnetische Eigenschaften und (iii) Magnetotransporteigenschaften der Fe und Fe_3Si Schichten auf GaAs(113)A-Substraten. Das Wachstum der Fe- und Fe_3Si-Schichten wurde bei einer Wachstumstemperatur von = bzw. 250 °C optimiert. Bei diesen Wachstumstemperaturen zeigen die Schichten eine hohe Kristallperfektion und glatte Grenz- und Oberflächen analog zu [001]-orientierten Schichten. Weiterhin wurde die Stabilität der Fe_(3+x)Si_(1-x) Phase über einen weiten Kompositionsbereich innerhalb der Fe_3Si-Stoichiometry demonstriert. Die Abhängigkeit der magnetischen Anisotropie innerhalb der Schichtebene von der Schichtdicke weist zwei Bereiche auf: einen Beresich mit dominanter uniaxialer Anisotropie für Fe-Schichten = 70 MLs. Weiterhin wird eine magnetische Anisotropie senkrecht zur Schichtebene in sehr dünnen Schichten gefunden. Der Grenzflächenbeitrag sowohl der uniaxialen als auch der senkrechten Anisotropiekonstanten, die aus der Dickenabhängigkeit bestimmt wurden, sind unabhängig von der [113]-Orientierung und eine inhärente Eigenschaft der Fe/GaAs-Grenzfläche. Die anisotrope Bindungskonfiguration zwischen den Fe und den As- oder Ga-Atomen an der Grenzfläche wird als Ursache für die uniaxiale magnetische Anisotropie betrachtet. Die magnetische Anisotropie der Fe_3Si-Schichten auf GaAs(113)A-Substraten zeigt ein komplexe Abhängigkeit von der Wachstumsbedingungen und der Komposition der Schichten. In den Magnetotransportuntersuchungen tritt sowohl in Fe(113)- als auch in Fe_3Si(113)-Schichten eine antisymmetrische Komponente (ASC) im planaren Hall-Effekt (PHE) auf. Ein phänomenologisches Modell, dass auf der Kristallsymmetrie basiert, liefert ein gute Beschreibung sowohl der ASC im PHE als auch des symmetrischen, anisotropen Magnetowiderstandes. Das Modell zeigt, dass die beobachtete ASC als Hall-Effekt zweiter Ordnung beschreiben werden kann. / In this work, the molecular-beam epitaxial growth and properties of ferromagnets, namely Fe and Fe_3Si are studied on low-symmetric GaAs(113)A substrates. Three important aspects are investigated: (i) growth and structural characterization, (ii) magnetic properties, and (iii) magnetotransport properties of Fe and Fe_3Si films on GaAs(113)A substrates. The growth of Fe and Fe_3Si films is optimized at growth temperatures of 0 and 250 degree Celsius, respectively, where the layers exhibit high crystal quality and a smooth interface/surface similar to the [001]-oriented films. The stability of Fe_(3+x)Si_(1-x) phase over a range of composition around the Fe_3Si stoichiometry is also demonstrated. The evolution of the in-plane magnetic anisotropy with film thickness exhibits two regions: a uniaxial magnetic anisotropy (UMA) for Fe film thicknesses = 70 MLs. The existence of an out-of-plane perpendicular magnetic anisotropy is also detected in ultrathin Fe films. The interfacial contribution of both the uniaxial and the perpendicular anisotropy constants, derived from the thickness-dependent study, are found to be independent of the [113] orientation and are hence an inherent property of the Fe/GaAs interface. The origin of the UMA is attributed to anisotropic bonding between Fe and As or Ga at the interface, similarly to Fe/GaAs(001). The magnetic anisotropy in Fe_3Si on GaAs(113)A exhibits a complex dependence on the growth conditions and composition. Magnetotransport measurements of both Fe(113) and Fe_3Si(113) films shows the striking appearance of an antisymmetric component (ASC) in the planar Hall effect (PHE). A phenomenological model based on the symmetry of the crystal provides a good explanation to both the ASC in the PHE as well as the symmetric anisotropic magnetoresistance. The model shows that the observed ASC component can be ascribed to a second-order Hall effect.