Multi-Ion-substitutierte Einzeldomänen Partikel von M-Typ Hexaferriten: Synthese, Kristallstruktur, magnetische und mikrowellenabsorptions Eigenschaften

• Antragsteller: Dr. Sebastian Bette
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448620009

Ziel des Projektes ist die Entwicklung präparativer Routen zur Herstellung neuer Hexaferrit Materialen mit größtmöglichen magnetischen Parametern. Barium und Strontium M-type Hexaferrite besitzen eine hohe magnetische Anisotropie und Magnetisierung um erfolgreich als Hartmagnete in verschiedene Technologiefeldern implementiert zu werden. In den Kristallstrukturen sind Kationensubstitutionen möglich, wodurch die magnetischen Eigenschaften an spezielle Anwendungen angepasst werden können. Zum Beispiel kann die Koerzivität durch Substitution von Eisen durch Aluminium erhört werden. Kürzlich gelang es den russischen Projektpartnern durch Subsitution sowohl von Eisen durch Aluminium als auch von Strontium durch Calcium einen Rekord in der natürlichen Ferromagnetischen Resonanzfrequenz von 250 GHz aufzustellen. Hierbei wurde auch die für Hexaferrite größte Koerzivität von 40 kOe beobachtet. Die Kationensubstitution führt jedoch meistens zu einer Verringerung der spontanen Magnetisierung. Zusätzlich erschweren die Eisensubstitution, die bis zu fünf kristallographisch unabhängige Eisenpositionen im Kristallgitter betrifft und mögliche Gitterverzerrungen durch das substituierende Kation genaue Vorhersagen zu den magnetischen Eigenschaften. Daher ist Potential für eine weitere Erhöhung der magnetischen Parameter durch Variation der chemischen Zusammensetzung und durch die Kontrolle über die Mikrostruktur des Materials vorhanden. In diesem Projekt ist die Entwicklung chemischer Synthesen auf Grundlage von Sol-Gel-Techniken und die Herstellung einheitlicher Partikelensembles im Submikron-Bereich, d.h. jedes Partikel beinhaltet nur eine magnetische Domäne, von kationsubstituierten Hexaferriten geplant. Dies führt zu einer maximalen Koerzivität der magnetischen Materialen und erlaubt die Analyse der magnetischen Parameter. Die Hexaferrite werden mit zwei oder mehr Metallkationen dotiert, die das Eisen und auch das Erdalkalimetall ersetzen. Dies hat einen stärkeren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften und stabilisiert die Struktur. Die Auswahl der substituierenden Kationen erfolgt dabei dahingehenden das ein Beitrag durch Spin-Bahn-Kupplung zu magnetischen Anisotropie gewährleistet bleibt. Die kristallographischen Studien werden durchgeführt um den Ort der Substitution zu lokalisieren und um die Koordinationsgeometrie des substituierenden Ions zu bestimmen. Weiterhin werden DC-Magnetisierungskurven aufgenommen und Mikorwellenabsorptionsspektren analysiert. Quantenchemische Berechnungen zur Modellierung des magnetischen Verhaltens und um die magnetischen Eigenschaften vorherzusagen werden durchgeführt. Dies wird zur Aufklärung der Beziehungen zwischen Zusammensetzung-Synthese Bedingungen-Struktur-Morphologie-Magnetismus führen. Im Ergebnis wird die Herstellung gut magnetisierbarer Hexaferrite mit verbesserter magnetischer Anisotropie, Koerzivität, ferromagnetischer Resonanzfrequenz und besserer thermischer Stabilität der magnetischen Parameter ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Irland, Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Ratibor G. Chumakov, bis 3/2022; Professor Dr. Pavel B. Fabritchnyi, bis 3/2022; Professor Dr. Boris Gorshunov, bis 3/2022; Professor Dr. Pavel E. Kazin, bis 3/2022; Dr. Vasiliy A. Lebedev; Professor Dr. Anatoly S Prokhorov, bis 3/2022