Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-5158
Authors: Höfel, Udo
Title: Size and temporal distributions in nanoscale magnetic materials via advanced extraction methods
Issue Date: 2015
metadata.ubs.publikation.typ: Abschlussarbeit (Master)
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-100039
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5175
http://dx.doi.org/10.18419/opus-5158
Abstract: Magnetic nanoparticles possess a multitude of fields of application, for example in biotechnology and utilization as (magnetically) easily separable catalysts. Among the diverse fabrication methods that allow the production of nanoparticles with magnetic properties respectively a chemical composition tailored for a specific task one can find the bottom-up sol-gel dip-coating technique, with which the CoNi nanoparticles embedded in silica were created. Those nanoparticles exhibit a wavelength dependent coercivity if irradiated with laser light. The mentioned behaviour was modeled via an extended, single domain ferromagnetic Stoner-Wohlfarth model implemented in Mathematica. Therein the amount of permitted angles between the nanoparticles easy axis and the external applied field can be limited to arbitrary starting and ending angles. Furthermore, a particle size distribution dependent model for superparamagnetic magnetisation measurements is discussed and its implementation in Mathematica documented. To complement the models programed in Mathematica the extended Jiles-Atherton model that rules out unphysical behaviour and allows the simulation of hystereses was implemented, such that the models available comprise superparamagnetic, single and multi domain ferromagnetic behaviour. Another simple to set up, top-down and „green“ production method is laser ablation sythesis in solution (LASiS). Nitinol (NiTi) nanoparticles created with this technique are of great interest as nitinol shows some exceptional properties, exempli gratia a shape memory, a high resistance to material fatigue and biocompatibility. Thus an extensive (magnetic) characterisation of these nanoparticles is carried out that should ease further production of task specific nanoparticles. Hence the influence of the LASiS liquid on the magnetic properties of the nanoparticles was also analysed. The impact of the laser power on the magnetic behaviour was scrutinized on iron nanoparticles, such that in conclusion some of the „knobs“ that allow tailoring of the properties of the nanoparticles are better understood and therefore grant a more precise parameter choice at the time of fabrication.
Magnetische Nanopartikel besitzen einen Durchmesser, welcher unter 100 nm liegt und die Fabrikation entsprechend anspruchsvoll gestaltet. Trotz der damit einhergehenden Herausforderungen gelang es in den letzten Jahren die Herstellungsmethoden soweit zu verbessern, dass sich die magnetischen Eigenschaften wie auch die chemische Zusammensetzung anwendungsspezifisch maßschneidern lassen. Für einen effektiven Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten sind magnetische Nanopartikel ideal geeignet, beispielsweise in der Hyperthermiekrebsbehandlung, die bei Mäusen eine Überlebensrate von bis zu 90% erzielt, oder als magnetisch leicht trennbare Katalysatoren, die aufgrund des hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses sehr effizient sind. Des Weiteren wird erwartet, dass die Datenspeicherdichte mittels magnetischer Nanopartikel auf einige Terabit pro Quadratzentimeter erhöht werden kann. Ein weiterer Bereich in dem magnetische Nanopartikel von eminenter Bedeutung sind, ist die Grundlagenforschung, in welcher sie zum Verständnis magnetischer Mechanismen beitragen. Ferner können Phänomene, wie beispielsweise Superparamagnetismus, die erst unterhalb einer bestimmten Maximalgröße auftreten, ihrerseits wieder technologischen Nutzen besitzen. Aus diesen Gründen wurden und werden weltweit zahlreiche Herstellungsmethoden für Nanopartikel untersucht und die Produktionsparameter, die eine feinere Justage der Eigenschaften der resultierenden Nanopartikel ermöglichen, analysiert. Eine ökonomische wie auch ökologische Herstellungsmethode ist durch die Laserablationssynthese in Lösung (LASiS) gegeben. Mit dieser Verfahrensweise erzeugte Nitinolnanopartikel sind von hohem Interesse, da Nitinol (NiTi) über etliche außergewöhnliche Eigenschaften, wie zum Beispiel ein Formgedächtnis, einen hohen Widerstand gegen Materialermüdung und eine gewisse Biokompatibilität verfügt. Darum wird in der vorliegenden Arbeit eine ausführliche magnetische Charakterisierung (die feldabhängige Magnetisierungs-, zero field cooling field cooling- und ac-Messungen umfasst) dieser Nanopartikel vorgenommen, die es erleichtern soll entsprechende Nanopartikel mit aufgabenspezifischen Eigenschaften zu produzieren. Des Weiteren wurde analysiert, wie sich der Einfluss der eingesetzten Mutterlösung und die eingestellte Laserleistung während des Herstellungsprozesses auf die magnetischen Eigenschaften von Nitinolnanopartikeln auswirken. Der Einfluss der Laserleistung wurde zusätzlich an Eisennanopartikeln untersucht. Dadurch wurden einige der Einstellmöglichkeiten mit deren Hilfe sich die Eigenschaften der Nanopartikel regulieren lassen, besser verstanden und somit eine gezieltere Parameterwahl bei der Herstellung ermöglicht wird, wodurch das Optimierungspotential besser ausgeschöpft werden kann. Unter den mannigfaltigen weiteren Herstellungsmethoden, welche heutzutage die Produktion von Nanopartikeln mit anwendungsspezifischen magnetischen Eigenschaften beziehungsweise chemischer Zusammensetzung erlauben, findet sich auch der Sol-Gel-Tauchbeschichtungsprozess, mit welchem sich in Siliciumdioxid eingebettete CoNi-Nanopartikel herstellen lassen. Diese weisen bei Bestrahlung mit Laserlicht eine wellenlängenabhängige Koerzitivität auf. Um dieses besondere Phänomen zu beschreiben und zu simulieren, wurde ein erweitertes, einzeldomänenferromagnetisches Stoner-Wohlfarth-Modell in Mathematica implementiert. Dabei wird die Möglichkeit genutzt, nicht alle möglichen Winkel zwischen der leichten Richtung und dem extern angelegten Feld zuzulassen. Darüber hinaus wird ein teilchengrößenverteilungsabhängiges Modell für superparamagnetische, feldabhängige Magnetisierungsmessungen diskutiert und seine Implementation in Mathematica dokumentiert. In den gebräuchlichen Magnetismusmodellen sind anspruchsvolle Parameter die den Magnetismus beeinflussen, wie beispielsweise die Form der Nanopartikel, noch nicht implementiert. Da es einen Mangel an frei und online verfügbaren Implementationen von Magnetismusmodellen gibt, vermögen die während dieser Arbeit entwickelten Modelle als Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen zu dienen.
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