Synergien zwischen Dünnschichten und massiven Materialien als Schlüssel zum Verständnis von magnetischen Eigenschaften und Magnetotransport in MnAl

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Andy Thomas, seit 11/2020; Dr. Thomas G. Woodcock
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 380033763

Magnetwerkstoffe mit großer magnetokristalliner Anisotropie werden sowohl in Form dünner Schichten als auch als massive Materialien z.B. in Spintronikbauteilen, Speichermedien, Motoren für Hybridfahrzeuge und Generatoren für Windturbinen gebraucht. Nun hat sich kürzlich gezeigt, dass das Materialsystem MnAl neben einer großen magnetokristallinen Anisotropie auch neuartige Magnetotransporteffekte aufweist. Dazuhin enthält das Material keine seltenen Erden und ist für die oben genannten Anwendungen auch aufgrund von geringen Rohstoffkosten attraktiv. Allerdings zeigen die bisher hergestellten MnAl Materialien nur bei manchen der relevanten Eigenschaften hervorragende Werte. Für MnAl Dünnschichten ist z.B. eine hohe Koerzitivfeldstärke bei gleichzeitig niedriger Sättigungsmagnetisierung berichtet worden, allerdings ist mehr oder weniger nichts über den (anisotropen) Magnetowiderstand bekannt. In MnAl Volumenproben werden dagegen hohe Sättigungsmagnetisierung und niedrigere Koerzitivfeldstärken beobachtet, während für Permanentmagnete aus MnAl große Koerzitivität und große Magnetisierung notwendig wären. Da das Gefüge von MnAl Dünnschichten kaum untersucht ist und das Gefüge massiver MnAl Proben erst neuerdings systematisch studiert wird, sind die Mechanismen, die den scheinbar zueinander in Konkurrenz stehenden magnetischen Eigenschaften zu Grunde liegen, noch unbekannt. Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld beschäftigt sich mit dem Einfluss von Dotierstoffen auf die magnetischen Eigenschaften von massivem MnAl bzw. MnAl Dünnschichten. Ein fundiertes Verständnis dieser Mechanismen bildet den Schlüssel für die Herstellung von MnAl Materialien mit maßgeschneiderten magnetischen Eigenschaften. Die Entwicklung von Dünnschichten und massiven Materialien geschieht in der Regel getrennt voneinander. Im vorliegenden Projekt sollen hingegen Synergien zwischen Dünnschichten und massiven Materialien genutzt werden, um rasche Fortschritte im Verständnis der magnetischen Eigenschaften und Dotierungseffekte in MnAl zu erreichen. Zum Beispiel soll die Mikrostruktur von hochkoerzitiven MnAl Dünnschichten mit der von entsprechenden Volumenproben verglichen und so die Bedingungen für große Koerzitivität erarbeitet werden. Darauf aufbauend sollen dann neuartige Prozessansätze zur Herstellung optimierter massiver Proben entwickelt werden. Hingegen sollen die Löslichkeit von Dotierelementen bzw. die Phasengleichgewichte zunächst in massiven Materialien studiert und dann auf Dünnschichten übertragen werden, da bei letzteren der Einfluss des Substrates die Experimente verkompliziert. Zudem sollen die magnetischen und Magnetotransport Eigenschaften der hergestellten Materialien detailliert untersucht werden, um die zu Grunde liegenden Mechanismen zu identifizieren und die Eignung der Materialien für Anwendungen zu quantifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Gönnenwein, bis 11/2020