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Kontrolle magnetischer Hysteresen und Domänen über potentialinduzierte elektrochemische Reaktionen

Fachliche Zuordnung Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400178764
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt zielte auf die elektrochemische Kontrolle der magnetischen Hysteresen und Domänen Fe- und Co-basierter Dünnschichten. Das Einstellen magnetischer Eigenschaften über elektrochemische Reaktionen (magneto-ionischer Effekt) stellt einen neuartigen Ansatz zur Kontrolle des Magnetismus über eine geringe elektrische Spannung dar und ist vielversprechend für die Entwicklung energieeffizienter Bauelemente für die Informationstechnologie und die Sensorik. Im Projekt wurde zunächst ein in-situ Kerrmikroskopie-Aufbau entwickelt, mit dem magnetische Hysteresen und Domänen während der Polarisation der Schichten in flüssigen Elektrolyten aufgelöst werden können. Mit diesem Aufbau konnten wir an FeOx/Fe-Schichten ein reversibles An/Aus-Schalten der magnetischen Hysterese über eine elektrische Spannung detektieren. Dieses magnetische “De-blocking” geht mit einer erhöhten Anisotropie und vergröberten Domänen einher und konnte auf eine redox-induzierte Änderung der Wechselwirkungen zwischen Néelwänden miteinander und mit Korngrenzen zurückgeführt werden. Dieser Mechanismus erlaubt ein energieeffizientes, elektrisches Schalten der Magnetisierung um 180°. In strukturierten FeOx/Fe-Schichten beobachten wir außerdem eine magneto-ionische Änderung des Magnetwiderstandes, die auf Oxidations- und Reduktionsreaktionen an Korngrenzen beruht. Die steuerbaren FeOx/Fe-Schichten wurden im Weiteren mit einer antiferromagnetischen IrMn-Schicht kombiniert. Diese Schichtsysteme ermöglichten erstmals die nichtflüchtige, magneto-ionische Kontrolle des in-plane Exchange-Bias (EB), die über ein EB-Modell mit der Änderung der Fe-Schichtdicke erklärt werden konnte. Mit der AG Beach (MIT, Cambridge, USA) zeigten wir außerdem die wasserstoffbasierte magnetoionische Kontrolle des senkrechten EB, mit Co und GdCo als steuerbaren ferro- und ferrimagnetischen Lagen. Neben sputterdeponierten Schichten wurden auch elektrodeponierte Nanostrukturen mit höherem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für die Magneto-ionik untersucht. In FeOOH-Nanoplättchen und FeOx/Fe-Nanoteilchen wurden große magnetoionische Effekte bis hin zum An/Aus-Schalten der Magnetisierung beobachtet. In Fe-Nanoquadern konnte mit Magnetkraftmikroskopie der Übergang zwischen Eindomänen- und Vortexzustand identifiziert werden. Dies stellt einen Ausgangspunkt für die magneto-ionische Kontrolle von 3D-Nanomagneten dar. Insgesamt konnte im Projekt an Metalloxid/Metall-Schichten und -Nanostrukturen sehr erfolgreich die elektrochemische Kontrolle magnetischer Eigenschaften wie Magnetisierung, Domänenstruktur, Anisotropie, Magnetwiderstand und Exchange Bias realisiert werden. Über neue und komplementäre Messmethoden wurde ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen elektrochemischen und magnetischen Mechanismen erreicht. Wichtige Einflussfaktoren auf die Magneto-ionik, wie beispielweise Korngrenzen, wurden identifiziert und werden in zukünftigen Studien untersucht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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