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Thomas Kurz
Elektronenspinresonanz in nanoskaligen Systemen
Betreuer: Prof. Dr. Alois Loidl [Experimentalphysik V]
Datum der mündlichen Prüfung: 10.02.2006
207 Seiten, deutsch , urn:nbn:de:bvb:384-opus-2073, ISBN:3-86537-823-4
Die heutige Miniaturisierung elektronischer Bauteile wirft die Frage auf, was passiert, wenn ihre Größenordnungen molekulare Skalen erreichen. Eine Möglichkeit der Untersuchung dieses Bereichs stellen mesoporöse Silikate dar, die eine Einlagerung der interessierenden Materialien erlauben und auf diese Art eine obere Schranke der Ausdehnung des zu untersuchenden Systems vorgeben. Diese beträgt einige Nanometer, ein Bereich, in dem bereits mehr als nur einzelne Atome oder Moleküle vorliegen, der aber andererseits noch klein genug ist, um Quantisierungseffekte beobachten zu können. Diese Arbeit untersucht sowohl verdünnte als auch nicht-verdünnte magnetische (II:Mn)VI Halbleiter mit variierter Mn-Konzentration in mesoporösen MCM%AE Strukturen. Ihre Dimension ist künstlich auf 3, 6 und 9 nm beschränkt. Ihre magnetischen Eigenschaften wurden mittels SQUID und Elektronspinresonanz-Messungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass sich die dimensionsreduzierten Systeme erst ab einer Ausdehnung von etwa 5 nm Volumen-artig, d.h. ähnlich wie die entsprechenden Bulk-Systeme, verhalten. Unterhalb dieser Grenze bilden die Nanopartikel quasi einen eindimensionalen "Spin-Draht", wobei jedes Partikel nur wenige magnetische Ionen enthält. Dies führt zu direkt beobachtbaren Effekten wie einer Reduktion des Curie-Weiss-Parameters in der Suszeptibilität oder der Unterdrückung langreichweitiger magnetischer Ordnung. Ausgehend von den zugehörigen Bulk-Systemen werden Modelle entwickelt, die die Ergebnisse (wie insbesondere Suszeptibilität und ESR-Linienbreite) beschreiben. Die reduzierte Anzahl nächster magnetischer Nachbarn an der Oberfläche der Partikel führt dabei zu einer reduzierten effektiven Austausch-Wechselwirkung. Wie sich das System dann insgesamt verhält, hängt vom Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen der Partikel ab, welches umso größer wird, je kleiner die Dimension wird. Bei Unterschreiten einer "kritischen Masse" reicht die Anzahl magnetischer Ionen nicht mehr aus, um die in Bulk beobachteten Eigenschaften, wie langreichweitige antiferromagnetische Ordnung, ausprägen zu können %96 die Ordnung bleibt aus, das System bleibt paramagnetisch bis zu tiefen Temperaturen.