Durchstimmbarer Magnetismus in massiven Ferromagneten durch reversiblen Einbau von Ionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Hahn, seit 10/2017
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278066865

Hinsichtlich extrem schneller Spintronic ist derzeit die Kontrolle des Magnetismus durch elektrische Felder eines der großen Forschungsgebiete. Starke Ferro-Magneten mit meist metallischer Natur schirmen ein angelegtes externes elektrisches Feld innerhalb einer Monolage ab. Aufgrund der Beschränkung auf ein sehr kleines Volumen in der Nähe der Ober- bzw. Grenzflächen ergeben sich selbst bei kleinsten Nanostrukturen somit geringe reversible Änderungen im Bereich von wenigen Prozent. Um diese Einschränkung zu überwinden, stellen wir hier ein Konzept vor, bei dem die Magnetisierung durch einen reversiblen Ionen-Austausch kontrolliert wird. Mit diesem Ansatz hat man einen zweifachen Vorteil gegenüber den elektrischen Feldern. Zum einen kann man den Magnetismus sogar für starke Ferro-Magneten vollständig ausschalten, zum anderen wäre bei solch einem Konzept ein sehr großes Volumen, weit über die Oberfläche hinaus, zugänglich. Die Idee stammt aus der Batterieforschung, wo die reversible Natur des Ionen-Austausches für tausende Zyklen bereits gezeigt wurde. Ebenso gibt es Beispiele von chemisch kontrolliertem Durchstimmen von funktionalen Eigenschaften und es gibt einige Beispiele für erfolgreiche Vermarktung, wie z.B. elektrochrome Komponenten und Bauteile. In der hier vorgeschlagnen Studie wollen wir uns mit drei verschiedenen Arten von magnetischen Materialien befassen, die auf verschiedenen Mechanismen der magnetischen Wechselwirkung beruhen. Dies wären durch Superaustausch getriebene Ferri-Magneten, Materialien, in denen der Superaustausch und der Doppelaustausch konkurrieren, und zuletzt Legierungen, die magnetische Materialien enthalten. Das Ziel für alle drei Systeme ist ein reversibles Durchstimmen des Valenzzustandes des magnetischen Kations. Dabei sollen entweder die beiden Untergitter eines Ferrimagneten angeglichen werden, so dass ein Antiferromagnet entsteht, oder, in anderen magnetischen Systemen, ein Phasenübergang zwischen zwei konkurrierenden Zuständen herbeigeführt werden. Da dieser Effekt auf einer chemischen Reaktion beruht, wären solche Bauteile sicherlich langsamer als die auf einem Feldeffekt basierende Konkurrenz. Betrachtet man aber den Zugewinn durch den erhöhten Betrag des geänderten magnetischen Moments in Massivmaterialien ergeben sich verschiedene Anwendungsbereiche. Dazu gehören Anwendungen im Bereich Mikrofluidik oder das Trennen und Führen von magnetischen Teilchen, z.B. biologische Substanzen (Zellen, DNS) oder Janus Teilchen, die zur Abgabe von Arzneimitteln eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Helmut Ehrenberg; Professor Dr. Maximilian Fichtner; Professor Dr. Heiko Wende; Professor Dr. Wolfgang Wenzel
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Subho Dasgupta, Ph.D., bis 10/2017