Magnetic interaction in exchange-biased bilayers: a first-order reversal curve analysis

The distributions of coercivities and magnetic interactions in a set of polycrystalline Ni(0.8)Fe(0.2)/FeMn bilayers have been determined using the first-order reversal curve (FORC) formalism. The thickness of the permalloy (Py) film was fixed at 10 nm (nominal), while that of the FeMn film varied within the range 0-20 nm. The FORC diagrams of each bilayer displayed two clearly distinguishable regions. The main region was generated by Py particles whose coercivities were enhanced in comparison with those in which the FeMn film was absent (sample O). The minor region was produced by Py particles with coercivities similar to or slightly higher than those of particles in the Py film of sample O. Each sample presented two distributions of interaction fields, one for each region, and both were centred slightly below the exchange-bias field, thus indicating a prevalence of magnetizing interactions. These results are consistent with a grain size distribution in the Py layer and the presence of uncompensated antiferromagnetic moments.

Competing anisotropies in exchange biased nano-structured thin films

The magnetic anisotropies of a patterned, exchange biased Fe50Mn50/Ni80Fe20 system are studied using ferromagnetic resonance, supplemented by Brillouin light scattering experiments and Kerr magnetometry. The exchange biased bi-layer is partially etched into an antidot geometry so that the system approximates a Ni80 Fe20 layer in contact with antidot structured Fe50 Mn50 . Brillouin light scattering measurements of the spin wave frequency dependence on the wave vector reveal a magnonic band gap as expected for a periodic modulation of the magnetic properties. Analysis of the ferromagnetic resonance spectra reveals 8-fold and 4-fold contributions to the magnetic anisotropy. Additionally, the antidot patterning decreases the magnitude of the exchange bias and modifies strongly its angular dependence. Softening of all resonance modes is most pronounced for the applied magnetic field aligned within 10◦ of the antidot axis, in the direction of the bias. Given the degree to which one can tailor the ground state, the resulting asymmetry at low frequencies could make this an interesting candidate for applications such as selective/directional microwave filtering and multi-state magnetic logic.

Tuning The Surface Anisotropy In Fe-doped Nio Nanoparticles.

Ni(1-x)FexO nanoparticles have been obtained by the co-precipitation chemical route. X-ray diffraction analyses using Rietveld refinement have shown a slight decrease in the microstrain and mean particle size as a function of the Fe content. The zero-field-cooling (ZFC) and field-cooling (FC) magnetization curves show superparamagnetic behavior at high temperatures and a low temperature peak (at T = 11 K), which is enhanced with increasing Fe concentration. Unusual behavior of the coercive field in the low temperature region and an exchange bias behavior were also observed. A decrease in the Fe concentration induces an increase in the exchange bias field. We argue that these behaviors can be linked with the strengthening of surface anisotropy caused by the incorporation of Fe ions.

Glassy magnetic phase driven by short range charge and magnetic ordering in nanocrystalline La1/3Sr2/3FeO3-δ: Magnetization, Mössbauer, and polarized neutron studies

The charge ordered La1/3Sr2/3FeO3−δ (LSFO) in bulk and nanocrystalline forms are investigated using ac and dc magnetization, M¨ossbauer, and polarized neutron studies. A complex scenario of short-range charge and magnetic ordering is realized from the polarized neutron studies in nanocrystalline specimen. This short-range ordering does not involve any change in spin state and modification in the charge disproportion between Fe3+ and Fe5+ compared to bulk counterpart as evident in the M¨ossbauer results. The refinement of magnetic diffraction peaks provides magnetic moments of Fe3+ and Fe5+ are about 3.15 μB and 1.57 μB for bulk, and 2.7 μB and 0.53 μB for nanocrystalline specimen, respectively. The destabilization of charge ordering leads to magnetic phase separation, giving rise to the robust exchange bias (EB) effect. Strikingly, EB field at 5 K attains a value as high as 4.4 kOe for average size ∼70 nm, which is zero for the bulk counterpart. A strong frequency dependence of ac susceptibility reveals cluster-glass-like transition around ∼65 K, below which EB appears. Overall results propose that finite-size effect directs the complex glassy magnetic behavior driven by unconventional short-range charge and magnetic ordering, and magnetic phase separation appears in nanocrystalline LSFO.

Síntese e caracterização de nanocompósitos Ni: SiO2 processados na forma de filmes finos

We have produced nanocomposite films of Ni:SiO2 by an alternative polymeric precursor route. Films, with thickness of ~ 1000 nm, were characterized by several techniques including X-ray diffraction, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, flame absorption atomic spectrometry, and dc magnetization. Results from the microstructural characterizations indicated that metallic Ni-nanoparticles with average diameter of ~ 3 nm are homogeneously distributed in an amorphous SiO2 matrix. Magnetization measurements revealed a blocking temperature T B ~ 7 K for the most diluted sample and the absence of an exchange bias suggesting that Ni nanoparticles are free from an oxide layer.

Structural, Magnetic and Thermal Studies of Ce1-xEuxCrO3 Nano-Powders

A new series of nano-sized Ce1-xEuxCrO3 (x = 0.0 to 1.0) with an average particle size of 50 - 80 nm were synthesized using a solution combustion method. Nano-powders Ce1-xEuxCrO3 with the canted antiferromagnetic property exhibited interesting magnetic behaviours including the reversal magnetization and the exchange bias effect. The effect of europium doping as the ion with the smaller radius size and different electron con figuration on structural, magnetic and thermal properties of Ce1-xEuxCrO3 were investigated using various experimental techniques, i.e. DC/AC magnetic susceptibility, heat capacity, thermal expansion, Raman scattering, X-ray photoemission spectroscopy, transmission/scanning electron microscopy, X-ray powder diffraction and neutron scattering. An exchange bias effect, magnetization irreversibility and AC susceptibility dispersion in these samples confirmed the existence of the spin disorder magnetic phase in Ce1-xEuxCrO3 compounds. The exchange bias phenomenon, which is assigned to the exchange coupling between glassy-like shell and canted antiferromagnetic core, showed the opposite sign in CeCrO3 and EuCrO3 at low temperatures, suggesting different exchange interactions at the interfaces in these compounds. The energy level excitation of samples were examined by an inelastic neutron scattering which was in good agreement with the heat capacity data. Neutron scattering analysis of EuCrO3 was challenging due to the large neutron absorption cross-section of europium. All diffraction patterns of Ce1-xEuxCrO3 showed the magnetic peak attributed to the antiferromagnetic Cr3+ spins while none of the diffraction patterns could detect the magnetic ordering of the rare-earth ions in these samples.

Thermische Stabilität und Modifizierung der magnetischen Austauschanisotropie in Schichtsystemen

In dünnen Schichtsystemen, in denen es Grenzflächen zwischen antiferromagnetischen (AF) und ferromagnetischen (FM) Bereichen gibt, kann eine unidirektionale magnetische Anisotropie beobachtet werden: die Austauschanisotropie, auch "Exchange-Bias Effekt" genannt. Die Austauschanisotropie ist die Folge einer magnetischen Kopplung zwischen AF und FM. Makroskopisch äußert sich diese Anisotropie in einer Verschiebung der Magnetisierungskurve entlang der Magnetfeldachse. Anwendung findet die Austauschanisotropie z. B. in Spin-Valve Sensoren, deren Funktionsprinzip auf dem Riesen-Magnetowiderstand (engl. giant magnetoresistance, GMR) beruht. Die (thermische) Stabilität der Austauschanisotropie ist eine wichtige Voraussetzung für technische Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, durch welche Materialeigenschaften die Austauschanisotropie in Schichtsystemen mit antiferromagnetischem Nickeloxid (NiO) bestimmt wird. Die Schichten wurden durch (reaktive) Kathodenzerstäubung hergestellt. Durch Variation der Depositionsbedingungen wurden Zusammensetzung und Struktur der NiO-Schichten verändert. Die Ergebnisse systematischer Analysen dieser Größen werden aufgeführt. Der Vergleich dieser Materialanalysen mit magnetischen Messungen an NiO/NiFe Schichtsystemen fšuhrt zu dem Ergebnis, dass die chemische Zusammensetzung und die Struktur der NiO-Schichten die thermische Stabilität der Austauschanisotropie entscheidend beeinflussen. Es wird zusätzlich gezeigt, dass die Stabilität der Austauschanisotropie durch einen Temperprozess im Anschluss an die Herstellung der Schichtsysteme entscheidend verbessert werden kann. Thermisch aktivierte, magnetische Relaxationsprozesse können außerdem zur Erhöhung der Austauschanisotropie führen. Des Weiteren werden zwei neuartige Methoden zur Modifizierung der Austauschanisotropie vorgestellt. Dabei wird gezeigt, dass durch die Bestrahlung der Schichtsysteme mit Helium-Ionen die magnetischen Eigenschaften der Schichtsysteme gezielt verändert und optimiert werden können. Der Einfluss der Ionenbestrahlung auf die Austauschanisotropie in NiO/NiFe Schichtsystemen und auf den Magnetowiderstand in FeMn basierten Spin-Valves steht dabei im Vordergrund der experimentellen Untersuchungen. Eine weitere Möglichkeit zur Modifizierung der Austauschanisotropie ist die Bestrahlung der Schichtsysteme mit kurzen Laserpulsen. Durch einen thermomagnetischen Prozess kann die Austauschanisotropie lokal verändert werden. Experimentelle Ergebnisse von diesem hier erstmals verwendeten Verfahren werden vorgestellt und interpretiert. Mit den beiden genannten Methoden ist es möglich, die Eigenschaften der Austauschanisotropie in Schichtsystemen nachträglich gezielt zu modifizieren.

Fernsteuerung superparamagnetischer Partikel und Charakterisierung von Magnetkraftmikroskopiespitzen in externen Magnetfeldern mit magnetisch strukturierten Substraten

Die Ionenbeschussinduzierte magnetische Strukturierung (engl.: Ion Bombardment Induced Magnetic Patterning – IBMP) beinhaltet den Beschuss austauschverschobener Ferromagnet/Antiferromagnet-Schichtsysteme mit niederenergetischen Heliumionen durch eine lithographisch erstellte Lackmaske, die die Ionen nur in den gewünschten Bereichen zum Schichtsystem vordringen lässt. Damit können Richtung und Stärke der Austauschverschiebung (engl.: Exchange Bias – EB) lokal beschränkt beeinflusst werden und es entstehen, in Remanenz stabile, magnetische Muster. Nach Entfernen der Resistmaske ist die Probe ohne topographische Kontraste. Bisher konnten mit dieser Methode Strukturen bis zu einer minimalen Größen von 500nm nachgewiesen werden. Diese Methode und zwei Anwendungsmöglichkeiten der IBMP werden in dieser Arbeit dargelegt: Die Interpretation von Magnetkraftmikroskopieaufnahmen im externen Magnetfeld erweist sich als problematisch, wenn die Richtung des äußeren Magnetfeldes senkrecht zum magnetischen Moment der MFM-Spitze steht und dieses unvermeidlich auch beeinflusst. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Tauglichkeit von topographisch flachen magnetischen Strukturen als Kalibrierproben für Magnetkraftmikroskopiesonden nachgewiesen. Die Magnetisierung solcher Proben ist in gewissem Rahmen unabhängig vom externen Magnetfeld. Daraus folgt, dass Veränderungen der magnetkraftmikroskopischen Aufnahmen in diesem Feldbereich allein auf Modifikationen des Magnetisierungszustandes der Spitze zurückzuführen sind. Anhand eines Modells nach sollen die Streufelder über der Probe modelliert und eine Quantifizierung dieser Einflüsse ermöglicht werden. Im Weiteren wird die gezielte Beeinflussung superparamagnetischer Nano- und Mikropartikel durch die künstlichen Streufelder über den Proben gezeigt. Dabei lag das Augenmerk zum Einen auf der gezielten Positionierung der Kolloide durch geeignete Wahl der künstlichen Domänenmuster und zum Anderen auf der ferngesteuerten Bewegung mittels geschickter Kombination eines externen Magnetfeldgradienten zusätzlich zu den magnetischen Streufeldern der Probe. Ein großes Hemmnis bei ähnlichen Anwendungen mit stromdurchflossenen Leiterbahnen sind die Erwärmung der Probe sowie die Zerstörung der Strukturen durch Elektromigration. Diese Erschwernisse können mit den in der vorliegenden Arbeit genutzten künstlichen magnetischen Strukturen, die sich durch externe Magnetfelder abschalten lassen und in Remanenz wieder erscheinen, elegant umgangen werden.

Domänenwandwiderstandseffekt in künstlich erstellten Domänenwänden nach Ionenbeschuss von magnetischen Zweischichtsystemen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magnetische Zweischichtsysteme mit Exchange-Bias-Effekt und künstlichen lateralen Domänenstrukturen auf den Domänenwandwiderstand (DWR) untersucht. Die Erzeugung dieser Domänenmuster erfolgte über Ion Bombardment induced Magnetic Patterning (IBMP), d.h. 10 keV Helium-Ionenbeschuss durch Schattenmasken auf der Probenoberfläche. Mithilfe eines externen Magnetfelds können anschließend die Domänenwände gezielt ein- und ausgeschaltet werden. Zur Untersuchung des DWR-Effekts müssen einige physikalische Voraussetzungen erfüllt sein, wodurch die Herstellung und Charakterisierung entsprechender magnetischer Domänenstrukturen eine der Hauptaufgaben war. Die folgenden Themen werden in dieser Arbeit im Einzelnen behandelt: • Anwendung verschiedener Lithographie-Verfahren zur Erzeugung von Schattenmasken: Für die Verkleinerung der magnetischen Strukturen bis in den Sub-µm-Bereich waren neue Verfahren notwendig. Hierfür wurden die Interferenz- und die NanoImprint-Lithographie eingesetzt. Außerdem wurden Metallnetzchen als Schattenmasken für den Ionenbeschuss genutzt. • Charakterisierung der künstlichen Domänenmuster: Identifikation des Domänenwandtyps anhand von MFM-Messungen unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen und Validierung der Ergebnisse mithilfe von PEEM-Messungen. Untersuchung der Domänenmuster auf die Domänenbreite und Domänenwandbreite in Abhängigkeit der verwendeten Strukturgrößen, Geometrien und Materialien. Magnetische Strukturierung von Exchange-Bias-Proben mit einem nicht-metallischen Antiferromagneten. • Domänenwandwiderstand: Untersuchung des DWR-Effekts in metallischen Exchange-Bias-Proben bei Raumtemperatur sowohl über viele als auch über einzelne Domänenwände sowie temperaturabhängig unterhalb der Raumtemperatur. Untersuchung des DWR-Effekts in oxidischen Zweilagenschichtsystemen bei Raumtemperatur über viele sowie über einzelne Domänenwände. Die Untersuchungen erfolgten mit Vibrationsmagnetometrie (VSM) und magnetooptischem Kerr-Effekt (MOKE), Rasterkraft-/Magnetokraft- und Rasterelektronenmikroskopie (AFM, MFM, REM), Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) und Magnetotransportmessungen.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Magnetic hysteresis loop shift in NiFe(2)O(4) nanocrystalline powder with large grain boundary fraction

Magnetic properties of nanocrystalline NiFe(2)O(4) spinel mechanically processed for 350 h have been studied using temperature dependent from both zero-field and in-field (57)Fe Mossbauer spectrometry and magnetization measurements. The hyperfine structure allows us to distinguish two main magnetic contributions: one attributed to the crystalline grain core, which has magnetic properties similar to the NiFe(2)O(4) spinel-like structure (n-NiFe(2)O(4)) and the other one due to the disordered grain boundary region, which presents topological and chemical disorder features(d-NiFe(2)O(4)). Mossbauer spectrometry determines a large fraction for the d-NiFe(2)O(4) region(62% of total area) and also suggests a speromagnet-like structure for it. Under applied magnetic field, the n-NiFe(2)O(4) spins are canted with angle dependent on the applied field magnitude. Mossbauer data also show that even under 120 kOe no magnetic saturation is observed for the two magnetic phases. In addition, the hysteresis loops, recorded for scan field of 50 kOe, are shifted in both field and magnetization axes, for temperatures below about 50 K. The hysteresis loop shifts may be due to two main contributions: the exchange bias field at the d-NiFe(2)O(4)/n-NiFe(2)O(4) interfaces and the minor loop effect caused by a high magnetic anisotropy of the d-NiFe(2)O(4) phase. It has also been shown that the spin configuration of the spin-glass like phase is modified by the consecutive field cycles, consequently the n-NiFe(2)O(4)/d-NiFe(2)O(4) magnetic interaction is also affected in this process. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Goethite (alpha-FeOOH) Nanorods as Suitable Antiferromagnetic Substrates

We propose goethite nanorods as suitable anti-ferromagnetic substrates. The great advantage of using these inorganic nanostructures as building blocks comes from the fact that it permits the design and fabrication of colloidal and supracolloidal assemblies knowing first their magnetic characteristics. As a proof of concept, we have developed mix multifunctional systems, driving on the surface of these AFM substrates, cobalt ferrite nanoparticles (the study of bimagnetic systems opens new degrees of freedom to tailor the overall properties and offers the Meiklejohn-Bean paradigm, but inverted), a silica shell (protection purposes, but also as a tailored spacer that permits controlling magnetic interactions), and metallic gold clusters (seeds that can favor the acquisition of optical or catalytic properties).

Propriedades magnéticas de nanopartículas de ferro em substratos antiferromagnéticos

The effect of finite size on the magnetic properties of ferromagnetic particles systems is a recurrent subject. One of the aspects wide investigated is the superparamagnetic limit where the temperature destroys the magnetic order of ferromagnetic small particles. Above the block temperature the thermal value of the magnetic moment of the particle vanishes, due to thermal fluctuations. The value of the blocking temperature diminishes when the size of the particle is reduced, reflecting the reduction of the anisotropy energy barrier between the uniform states along the uniaxial axis. The increasing demand for high density magnetic media has recently attracted great research interest in periodic arrangements of nanometric ferromagnetics particles, approach in the superparamagnetic limit. An interesting conjecture is the possibility of stabilization of the magnetic order of small ferromagnetic particles (F) by interface coupling with antiferromagnetic (AF) substrate. These F/AF systems may also help to elucidate some details of the effect of exchange bias, because the effect of interface roughness and the paper of domain walls, either in the substrate or the particle, are significantly reduced. We investigate the magnetic phases of small ferromagnetic particles on a antiferromagnetic substrate. We use a self-consistent local field method, incorporating the interface field and the dipole interaction between the spins of the ferromagnetic particle. Our results indicate that increasing the area of the interface favors the formation of the uniform state. Howere above a critical height value appears a state non-uniform is formed where the spins of in the particle s free surface are rotated with respect to the interface spins direction. We discuss the impact of the competition between the dipolar and interface field on the magnetic charge, that controls the field of flux leakage of the particle, and on the format of the hysteresis curves. Our results indicate that the liquid magnetic charge is not a monotonically increasing function of the height of the particle. The exchange bias may display anomalous features, induced for the dipolar field of the spins near the F/AF interface