Maximierung des Energieprodukts hartmagnetischer Viellagenschichten durch Optimierung ihrer Nanostruktur mittels kombinatorischer Materialabscheidung und thermischer Prozessierung über Mikroheizplatten-Matrixanordnungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projektes war die Entwicklung neuer hartmagnetischer mehrphasiger Legierungen durch eine spezielle thermische Prozessierung von nanoskaligen Precursor-Viellagenschichten mittels Mikroheizplatten. Die prozessierten Schichten sollten als sogenannte „Exchange Spring Magnets" als Hauptkriterium ein maximiertes magnetisches Energieprodukt deutlich über dem von bekannten Materialien aufweisen. Theoretische Vorhersagen für „Exchange Spring Magnets" sollten experimentell verifiziert werden. Die experimentellen Arbeiten wurden vorrangig im System Fe-Pt/Fe durchgeführt. Im Projekt wurde das Konzept verfolgt, aus wohldefinierten nanoskaligen Precursor-Viellagenschichten über neuartige thermische Nachbehandlungsschritte, die gewünschten mehrphasigen nanoskaligen Materialien zu erzeugen. Die Precursor-Viellagenschichten wurden in Form von sogenannten Materialbibliotheken hergestellt. In diesen Dünnschicht-Materialbibliotheken wurde z.B. das Lagendlckenverhältnls kontinuierlich variiert (entgegengesetzt keilförmige Viellagenschichten und weitere komplexere Viellagensysteme). Die thermische Prozessierung erfolgte über neuartige Mikroheizplatten. Diese wurden speziell für dieses Projekt konzipiert, hergestellt und erfolgreich eingesetzt. Mikroheizplatten weisen Charakteristika wie extrem hohe Heiz-/Kühlraten, sehr gute Kontrolle kürzester Glühzeiten sowie in situ Prozessüberwachung auf. Letzteres konnte erfolgreich zur Messung von Kristallisationsprozessen und Phasentransformationen eingesetzt werden. Diese Technologie steht nun für weiterführende Projekte zur Verfügung. Darüber hinaus wurde im Projekt eine Gradientenheizung entwickelt, die sich besonders für die Hochdurchsatzprozessierung von Materialbibliotheken eignet. Im Projekt wurden zusätzlich umfangreiche Arbeiten zum Diffusionsverhalten in Viellagenschichtsystemen durchgeführt. Dies war notwendig für ein verbessertes Verständnis bzw. zur besseren Kontrolle der thermischen Prozessierung der nanoskaligen Precursorschichten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch das Projekt Fortschritte in den folgenden Bereichen erzielt werden konnte: 1. Herstellung von Dünnschicht-Materialbibliotheken, insbesondere im Hinblick auf nanoskalige Viellagenschichten, 2. Mikroheizplatten als neuartige Plattformen zur in situ kontrollierten Prozessierung von Dünnschicht-Werkstoffen, 3. Prozessierung von Fe/R Viellagenschichten zur Erlangung hartmagnetischer Eigenschaften bei niedrigen Glühtemperaturen und 4. Diffusionsverhalten in nanoskaligen Viellagenschichten (Fe/R). Die im Projekt entwickelten Methoden finden bereits Anwendung in weiteren Projekten des Antragstellers. Obwohl durch die kombinatorische Herstellung von Materialbibliotheken und Anwendung von Hochdurchsatzmessverfahren zahlreiche Prozessparameter, sowohl der Materialseite (Schichtdicke, Zusammensetzung, Substrat, ...), als auch der Prozessierungsseite (Heizmethode, Glühtemperatur, Glühzeit, ...) verwendet wurden und diese zusätzlich mit Hilfe von Untersuchungen des Diffusionsverhaltens von Fe und R untereinander abgestimmt wurden, konnten keine wesentlichen Fortschritte beim Erreichen neuer Maximalwerte des magnetischen Energieprodukts in nanoskaligen mehrphasigen Werkstoffen erzielt werden. Es bedürfte weiterer umfangreicher Forschungsanstrengungen, um dem theoretisch vorhergesagten Energieprodukt in „Exchange Spring Magnets" reproduzierbar näher zu kommen. Die bisher entwickelten Methoden könnten dafür eingesetzt werden, mussten aber zusätzlich durch weitere in situ Methoden verstärkt werden. Insbesondere könnte der Einsatz von „3-dimensional atom probe" Verfahren für die Erreichung der Ziele notwendig sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
(2006), Design and application of gradient annealing devices for the parallel thermal processing of Fe/Pt multilayers. In: Combinatorial Methods and Informatics in Materials Science, edited by Q. Wang, R.A. Potyrailo, M. Fasolka, T. Chikyow, U.S. Schubert, A. Korkin, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 894, Warrendale, PA
S. Thienhaus, R. Hiergeist, A. Savan, A. Ludwig
-
(2006), Interdiffusion in Fe-Pt multilayers. Journal of Applied Physics 100, 073517, 1-11
N. Zotov, J. Feydt, A. Savan, A. Ludwig
-
(2006), Investigation of hard magnetic properties in the Fe-Pt system by combinatorial deposition of thin film multilayer libraries. Applied Surface Science 252, 2518-2523
A. Ludwig, N. Zotov, A. Savan, S. Groudeva-Zotova
-
(2006), Structure of PtFe/Fe double-period multilayers investigated by X-ray diffraction, reflectivity, diffuse scattering and TEM. Applied Surface Science 253, 128-132
N. Zotov, J. Feydt, T. Walther, A. Ludwig
-
(2007), Atomic mechanisms of interdiffusion in metallic multilayers. Materials Science and Engineering C 27, 1470-1474
N. Zotov, A. Ludwig
-
(2007), Micro-hotplates as processing and characterization platforms for functional Fe-based thin film systems. MRS Fall Conference Boston, 2007
S. Thienhaus, S. Hamann, M. Ehmann, R. Hiergeist, A. Savan and A. Ludwig
-
(2008), Dependence of grain sizes and microstrains on annealing temperature in Fe/Pt muitilayers and L10 FePt thin films. Thin Solid Films 517, 531- 537
N. Zotov, J. Feydt, A. Ludwig
-
(2008), First-principles calculations of the elastic constants of ordered Fe-Pt alloys. Intermetallics 16, 113-118
N. Zotov, A. Ludwig
-
(2008), Micro-hotplates for highthroughput thin film processing and and in situ phase transformation characterization. Sensors and Actuators A, 147, 576 - 582
S. Hamann, M. Ehmann, S. Thienhaus, A. Savan, A. Ludwig
