Untersuchung des Einflusses des Umgebungsmediums auf die Stöchiometrie und die magnetischen Eigenschaften von Fe-Nanopartikeln generiert durch Femtosekunden-Laserablation

• Antragsteller: Professor Dr. Evgeny Gurevich
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252660358

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Insgesamt wurden in diesem Projekt zwei wichtige Aspekte der Laserablation von Eisen in Flüssigkeiten untersucht. Zum einen wurde der Einfluss der Flüssigkeit auf den Abtrag und die Abtragsdynamiken untersucht und zum anderen wurde der Einfluss der Flüssigkeit auf die Stöchiometrie der entstandenen Partikel analysiert. Dabei wurde herausgefunden, dass die Flüssigkeiten einen signifikanten Einfluss auf die Abtragsrate haben und diese z.B. im Vergleich zwischen Wasser und Toluol um 85 % reduziert werden kann. Dieses Ergebnis verdeutlicht, wie wichtig die Messung der Abtragsrate ist, da dieser Unterschied einen signifikanten Einfluss auf die Metalldampfdichte hat und somit auf die Nanopartikelentstehungsprozesse hat. Anhand der komplizierten Vorgänge während des Abtragsvorgangs ist es beachtlich, dass die Abhängigkeit des Abtrags den gleichen Gesetzmäßigkeiten folgt wie der Abtrag an Luft oder im Vakuum. Dieses Thema sollte in Zukunft eigenständig weiterverfolgt werden, da sich in diesem Bereich auch Überlappungen mit anderen Gebieten der ultraschnellen Teilchendynamiken an Metall-Flüssigkeitsschnittstellen ergeben. Die Untersuchung der Nanopartikel ergibt einen klaren Zusammenhang mit den verwendeten Flüssigkeiten und auch eine Steuerbarkeit der Partikeleigenschaften. Insbesondere zeigen die chemischen Untersuchungen einen Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoff- zu Sauerstoffverhältnis in den Flüssigkeitsmolekülen. Das bedeutet, dass die die chemische Zusammensetzung der Partikel festlegenden Vorgänge in einer sehr frühen Phase der Nanopartikelentstehung passieren, wenn die Energie des Abtrags zu einer Dissoziation und Pyrolyse der Moleküle führt. Des Weiteren führt die Inkorporation von Kohlenstoff in die Eisennanopartikel zu einer Herstellung amorpher Partikel. Hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften besitzen alle hergestellten und analysierten Nanopartikel weichmagnetische Eigenschaften. Weiterhin zeigen alle temperaturabhängigen Magnetisierungsmessungen, dass ein Teil der Partikel superparamagnetisch ist, was mit den gemessenen Partikelgrößenverteilungen übereinstimmt. Da es jedoch auch einen nicht vernachlässigbaren Teil an größeren Partikeln gibt, stimmen die ZFC/FC Messungen bei Raumtemperatur nicht überein und die Partikelensembles besitzen ein Koerzitivfeld von 50 bis 150 Oe. Zudem konnte auch gezeigt werden, dass Flüssigkeitsmischungen einen weiteren Hebel bilden, mit dem die Nanopartikeleigenschaften weiter gesteuert werden können. Insgesamt wurde durch diese Untersuchungen gezeigt, dass die Nanopartikelherstellung durch Laserabtrag von Eisen in verschiedenen Flüssigkeiten verstanden werden kann und die chemischen und physikalischen Nanopartikeleigenschaften kontrolliert werden können. Der größte Teil der hier vorliegenden Ergebnisse wurde in [1] publiziert. Die systematische Charakterisierung des Abtrags in Flüssigkeiten und die darauffolgende Untersuchung der damit hergestellten Nanopartikel bildet eine Referenzarbeit für weitere Arbeiten zur Herstellung eisenbasierter Nanopartikel durch Laserablation in Flüssigkeiten. Zum Beispiel kann auf Grundlage dieser Arbeit in Zukunft der Einfluss der verwendeten Flüssigkeiten auf die Herstellung von Eisenlegierungen, wie z.B. Eisen-Gold und Eisen-Platin, abgeschätzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Impact of solvent mixture on iron nanoparticles generated by laser ablation, SPIE BiOS, 895507-895507 (2014)
  M. Chakif, O. Prymak, M. Slota, E. Heintze, E.L. Gurevich und C. Esen
  
• Influence of the Liquid on Femtosecond Laser Ablation of Iron, Physics Procedia 83, 114-122 (2016)
  A. Kanitz, J.S. Hoppius, E.L. Gurevich und A. Ostendorf
  
• Synthesis of magnetic nanoparticles by ultrashort pulsed laser ablation of iron in different liquids, ChemPhysChem
  A. Kanitz, J.S. Hoppius, M. M. Sanz, M. Maicas, A. Ostendorf und E. L. Gurevich