Exfoliation and characterization of natural two-dimensional magnetic flakes

Titel in Übersetzung: Exfolierung und Charakterisierung von natürlichen, zweidimensionalen, magnetischen Schichten

Kevin-Peter Gradwohl

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Seit der Entdeckung von Graphen hat sich das wissenschaftliche Feld der zweidimensionalen (2D) Materialien rasant entwickelt, insbesondere in Folge ihrer außerordentlichen physikalischen Eigenschaften. Magnetische 2D-Schichten sind jedoch nach dem Mermin-Wagner Theorem zu einem gewissen Grad verboten, außerdem wurde noch von keinen stabilen, magnetischen 2D Schichten - zumindest unter Umgebungsbedingungen - berichtet. Hier wurde ein Mineral-Aggregat aus einer privaten Mineraliensammlung, welches makroskopische magnetische Eigenschaften und herausragende Spaltbarkeit aufweist, auf 2D-Magnetismus untersucht. Die geologische Analyse des Aggregats ergab, dass dessen Hauptbestandteile sulfidische und oxidische Eisenverbindungen sind, wie Hämatit, Magnetit, Pyrit und Chalkopyrit. Mikromechanische Exfolierung wurde verwendet, um die dünnen Schichten herzustellen. Wenn ausschließlich der rötlich, transparente Hämatit verwendet wurde, lieferte die Exfolierung des Minerals das beste Ergebnis. Die dünnen Schichten wurden auf einen speziellen Si-Wafer mit einer 300 nm dicken SiO2 Beschichtung transferiert. Die Nutzung der Fabry-Pérot Interferenz machte es möglich, die dünnen Schichten auf dem Wafer mit dem optischen Mikroskop zu finden. Des Weiteren wurden die Schichten mit Rasterkraftmikroskopie untersucht. Deren laterale Ausdehnung reichte bis zu 15 µm x 15 µm, während deren Schichtdicke lediglich 1.5 nm betrug. Energiedispersive Röntgenspektroskopie zeigte Magnesium als Hauptkomponente der dünnen Schichten. Es war möglich, die Präsenz von OH Gruppen mit Raman Spektroskopie nachzuweisen, was in Richtung der monoklinen Talk Mg3Si4O10(OH)2 Struktur verwies. Zwei weitere Linien im Raman-Spektrum waren in guter Übereinstimmung mit den Metall-Sauerstoff Moden in der Kristallstruktur des Talkes (Steatit). Die Magnetkraftmikroskopie-Modi „dual-pass“ und „plane scan“ wurden verwendet, um die magnetischen Eigenschaften der Schichten zu studieren. Es wurde der Effekt unterschiedlicher Spitzen- und Schichtmagnetisierung untersucht. Die Schlussfolgerung war, dass die magnetischen Eigenschaften der Schichten aus der teilweisen Substitution der Magnesiumatome mit magnetischen Übergangsmetallatomen erfolgt, dem mineralischen Ursprung nach vermutlich Eisenatomen. Die herausragende Qualität und Stabilität der dünnen Schichten, sowie deren magnetische Eigenschaften, machen sie nicht nur interessant für Anwendungen im Bereich der Datenspeicherung und Spintronik, sondern auch als Substrat für organische Elektronik. Daher wurden die magnetischen Schichten als Substrat für das Wachstum von linearen, organischen Molekülen, wie DHTA7 und 6P mit Hot-Wall Epitaxie verwendet. Die Durchführung weiterer Versuche ist notwendig, um die komplexen Wachstumsmoden dieser Moleküle zu verstehen.
Titel in ÜbersetzungExfolierung und Charakterisierung von natürlichen, zweidimensionalen, magnetischen Schichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Teichert, Christian, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung19 Okt. 2018
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • magnetisch
  • Magnetismus
  • 2D
  • Graphen
  • Mermin
  • Wagner
  • Spaltbarkeit
  • Exfolierung
  • Eisen
  • Eisenoxid
  • Hämatit
  • Fabry
  • Pérot
  • Interferenz
  • EDS
  • EDX
  • AFM
  • Rasterkraftmikroskopie
  • Phyllosilikat
  • Talk
  • Steatit
  • MFM
  • Magnetkraftmikroskopie
  • Magnesium
  • organische Elektronik
  • Datenspeicherung
  • 6P
  • DHTAP
  • DHTA7
  • Hot-Wall
  • Epitaxy

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