Magnetoelectric sensors based on magnetostrictive and organic hybrid-composites

• Applicants: Professor Dr. Rainer Adelung; Professor Dr. Franz Faupel
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2015 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 269909779

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Klassische magnetoelektrische Sensoren haben prinzipbedingt einen großen Anteil an passiven Komponenten welche aus mechanischen oder geometrischen Gründen nicht weggelassen werden können. Magnetische Hybrid Sensoren stellen ein neuartiges Konzept dar, bei dem die klassischen Komponenten ausgetauscht werden. Ziel so einer Entwicklung ist es, einen Sensor zu realisieren, bei dem die Umwandlung der magnetischen Energie möglichst effizient in Coulombsche Energie und damit eine messbare Ladungstrennung erfolgt. Die wichtigsten Parameter sind dabei der Verzicht auf ein passives Substrat und die kontaktfreie Messung. Die Sensorenung der Sensoren kann dabei in 2 Bereiche unterteilt werden: 1. Die Umwandlung der magnetischen Energie in ein mechanisch verwertbares Signal. Solch ein Signal kann z.B. eine Magnetostriktion, eine Veränderung des E-Modul oder auch eine veränderte Schallgeschwindigkeit sein. 2. Die Umwandlung des mechanischen Signals in eine elektrische Messgröße. Hierfür haben sich besonders Elektrete auf der Basis von Fluoropolymeren empfohlen, da es mit ihnen möglich ist kontaktfreie und damit effiziente Messungen durchzuführen. Diese beiden Bereiche wurden zunächst unabhängig voneinander entwickelt und mit jeweils konventionellen Materialien ergänzt. Dies erlaubte eine eigenständige Weiterentwicklung der Komponenten. Für die Herstellung von Dünnschichtelektren wurden unterschiedliche Methoden wie Aufschleudern und Aufdampfen von Fluoropolymeren getestet. Hier wurde mit einer Biegebalkenanordnung bereits eine Nachweisgrenze von ca. 60pt/Hz1/2 erreicht. Eine weitere Verbesserung war nur mit einer Minimierung der Rauhigkeit möglich. Hierzu wurde die Abscheidung von Fluoropolymerschichten über sogenannte "initiated Chemical Vapor Deposition (iCVD)" als neues Verfahren in das Projekt eingeführt, und es wurde eine entsprechende Apparatur neu konzipiert. Parallel wurden magnetoaktive Elastomere hergestellt und mit kommerziellen Elektretmikrofonen kombiniert. Dies erlaubte Messungen von externen Magnetfeldern bei einer Resonanzfrequenz von etwa 1200 Hz bis zu einer Nachweisgrenze von 150pt/Hz1/2. Ein geordnetes Wachtum für Ni-, Co- und FeCo-Nanosäulen-Arrays ließ sich durch in situ FFT-Impedanz Spektroskopie erreichen.

Publications

• Direct Growth of Freestanding ZnO Tetrapod Networks for Multifunctional Applications in Photocatalysis, UV Photodetection, and Gas Sensing, ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 7(26), pp. 14303-14316 (2015)
  Y. K. Mishra, G. Modi, V. Cretu, V. Postica, O. Lupan, T. Reimer, I. Paulowicz, V. Hrkac, W. Benecke, L. Kienle & R. Adelung
  
• FFT-impedance spectroscopy analysis of the growth of magnetic metal nanowires in ultra-high aspect ratio InP membranes, Semiconductor Science and Technology, Vol. 31(1), pp. 014005 (2015)
  M. Gerngross, J. Carstensen, H. Föll & R. Adelung
  
• Rapid switching and ultra-responsive nanosensors based on individual shellcore Ga2O3/GaN:Ox@SnO2 nanobelt with nanocrystalline shell in mixed phases, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 221, pp. 544-555 (2015)
  O. Lupan, T. Braniste, M. Deng, L. Ghimpu, I. Paulowicz, Y. K. Mishra, L. Kienle, R. Adelung & I. Tiginyanu
  
• Single and networked CuO nanowires for highly sensitive p-type semiconductor gas sensor applications physica status solidi (RRL) Rapid Research Letters, Vol. 10(3), pp. 260-266 (2015)
  O. Lupan, V. Postica, V. Cretu, N. Wolff, V. Duppel, L. Kienle & R. Adelung
  
• Three-Dimensional SnO 2 Nanowire Networks for Multifunctional Applications: From High-Temperature Stretchable Ceramics to Ultraresponsive Sensors, Advanced Electronic Materials, Vol. 1(8), Article number: 1500081 (2015)
  I. Paulowicz, V. Hrkac, S. Kaps, V. Cretu, O. Lupan, T. Braniste, V. Duppel, I. Tiginyanu, L. Kienle, R. Adelung & Y. K. Mishra
  
• Ultra-wide bandwidth with enhanced microwave absorption of electroless Ni-P coated tetrapod-shaped ZnO nanoand microstructures, Phys. Chem. Chem. Phys., Vol. 17(35), pp. 22923-22933 (2015)
  M. Najim, G. Modi, Y. K. Mishra, R. Adelung, D. Singh & V. Agarwala
  
• Enhanced ethanol vapour sensing performances of copper oxide nanocrystals with mixed phases, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 224, pp. 434-448 (2016)
  O. Lupan, V. Cretu, V. Postica, N. Ababii, O. Polonskyi, V. Kaidas, F. Schütt, Y. K. Mishra, E. Monaico, I. Tiginyanu, V. Sontea, T. Strunskus, F. Faupel & R. Adelung