Erforschen der Messung der kernmagnetischen Resonanz (NMR) als Methode für die moderne Materialforschung

• Antragstellerin: Dr. Sabine Wurmehl
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397409592

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mein Projekt zielte darauf ab, nuclear magnetic resonance (NMR) Spektroskopie im Nullfeld (ZF) als Methode zur Untersuchung der kristallographischen, magnetischen und elektronischen Struktur in ausgewählten funktionellen magnetischen Materialien zu erforschen und die Vorteile der NMR als alternative Charakterisierungsmethode in der Materialforschung herauszuarbeiten. Im Folgenden seien ausgewählte Ergebnisse des Projektes skizziert: Zur Untersuchung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen wurde ein dünner Film der Heusler Verbindung Co2 MnSi mit He+ Ionen bestrahlt. Die Veränderung der Kristallstruktur in Co2 MnSi mit zunehmender He+ Ionenfluenz wurde mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht und mit den entsprechenden makroskopischen Änderungen der magnetischen Eigenschaften in Bezug gesetzt. NMR Messungen einer Co2−x Mnx B Substitutionsreihe zeigen (i) zunehmende Unordnung mit zunehmender Mn Konzentration, (ii) eine Drehung der magnetisch leichten Achse von parallel zur tetragonalen c-Achse (x=0), in die ab-Ebene (x=0.1,0.3), und wieder parallel c (x=0.5). (iii) NMR zeigt ein nahezu konstantes magnetisches Co Moment für die gesamte Substitutionsreihe. Für Co2 B stimmt das mit NMR bestimmte Moment sehr gut mit Werten anderer Methoden überein. Die durch NMR beobachtete Abnahme des Mn-Momentes ist weniger ausgeprägt wie mit DFT vorhergesagt, die NMR Daten geben den Trend zu niedrigeren Werten aber korrekt wieder. Bei der Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln zeigt sich, welche Informationen über ZF-NMR zugänglich sind, die so nicht mit Standardmethoden erfasst werden können. So ist eine Größenordnung weniger NMR Kerne nötig als für klassisches NMR, wir erhalten Informationen über die Umgebungen der Nanopartikel (zum Beispiel über eine mögliche höhere Versetzungsdichte im Vergleich zum Bulkmaterial) und wir können das Wachstum der Nanopartikel untersuchen. Hier liegt die Stärke der NMR bei der Identifizierung von Zwischenprodukten. Unsere Ergebnisse zeigen sowohl die Breite der Anwendungsmöglichkeiten als auch die Informationstiefe von ZF-NMR Studien magnetischer Materialien als Methode für die moderne Materialforschung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Magnetic and magnetocaloric properties of the Co2−x Mnx B system by experiment and density functional theory, Acta Mater. 165, 270 (2019)
  S. Ener, M. Fries, F. Hammerath, I. Opahle, E. Simon, P. Fritsch, S. Wurmehl, H. Zhang, O. Gutfleisch
  
• Structure-property relationship of Co2 MnSi thin films in response to He+ - irradiation, Scientific reports 9, 2766 (2019)
  F. Hammerath, R. Bali, R. Huebner, M.R.D. Brandt, S. Rodan, K. Potzger, R. Boettger, Y. Sakuraba, S. Wurmehl
  
• Extraction of Dzyaloshinksii-Moriya interaction from propagating spin waves, Phys. Rev. B 101, 064432 (2020)
  J. Lucassen, C. F. Schippers, M. A. Verheijen, P. Fritsch, E.J. Geluk, B. Barcones, R.A. Duine, S. Wurmehl, H.J.M. Swagten, B. Koopmans, R. Lavrijsen