Forschungsprojekt - Kurzfassung

"Seltenerd-freie magnetische Materialien"

Eisen-dotiertes Lithiumnitrid stellt ein neuartiges magnetisches System dar, in dem sich Eisen in vielen Aspekten wie ein Seltenerd-Element verh?lt. Insbesondere zeigt sich eine ?u?erst starke magnetische Anisotropie, welche die Grundlage für viele Anwendungen und Modellsysteme bildet. So ist es gerade diese Eigenschaft, die Permanentmagneten in Windturbinen und Elektromotoren ihre ‘Permanenz’ verleiht. Ursache des ungew?hnlichen Verhaltens von Eisen-dotiertem Lithiumnitrid ist der Beitrag des orbitalen magnetischen Momentes des Eisens. Dieser ist nicht, wie normalerweise in Festk?rpern beobachtet, durch das Kristallfeld unterdrückt. Die hieraus resultierende magnetische Anisotropie und Koerzitivit?t übertrifft selbst etablierte Hartmagnete bei weitem.

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Das Projekt zielt zun?chst darauf, diese Verbindung als Modellsystem zu etablieren. Hierzu sollen Einkristalle h?chster Qualit?t gezüchtet, grundlegend charakterisiert und in Kooperation mit spezialisierten Arbeitsgruppen analysiert werden. Die gewonnenen Erkentnisse sollen direkt bei der Suche nach neuen Materialien eingesetzt werden. Die au?ergew?hnliche lokale Umgebung von Eisen in Lithiumnitrid liefert hierfür einen ersten Anhaltspunkt. So befindet sich das Eisenatom exakt zwischen zwei Stickstoffatomen als n?chste Nachbarn, also in linearer, zweifacher Koordination. Bekannte Verbindungen mit entsprechender Kristallstruktur sowie verwandte Systeme sollen synthetisiert und sorgf?ltig analysiert werden.

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Ein wichtiges Ziel des Forschungsprojektes ist es, die magnetische Ordnung solcher lokaler Momente zu untersuchen und gezielt zu beeinflussen, zum Beispiel durch Dotierung oder dem Anlegen von Druck. Dies kann zun?chst an Lithiumnitrid getestet werden. Basierend auf den dabei erzielten Ergebnissen soll die Suche nach magnetisch geordneten, orbitalen Momenten ausgeweitet werden - auch über das strukturelle Motiv der linearen, zweifachen Koordination hinaus.

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?bergangsmetallverbindungen mit ungequenchten orbitalen Momenten sind sowohl von technologischer Relevanz als auch von Interesse für die Grundlagenforschung. Ersteres ist unmittelbar an der Preisentwicklung von Seltenerd-Elementen zu erkennen, deren Kosten sich in den letzten Jahren teilweise verzehnfacht haben. Gelingt es, einen harten, Seltenerd-freien Permanentmagneten mit hinreichend hoher Ordnungstemperatur und Energieprodukt zu finden, so w?re dies von gro?em wirtschaftlichen Interesse. Neben diesen eher praktischen Beweggründen k?nnen v?llig neuartige magnetische Modellsysteme realisiert werden. Grundlage hierfür ist das au?ergew?hnliche Wechselspiel von Spin-Bahn-Kopplung und Kristallfeld-Effekten. Letztere stellen für Seltenerd-Elemente lediglich eine schwache St?rung dar, w?hrend für ?bergangsmetalle beide Effekte von vergleichbarer St?rke sein k?nnen. Eben hierauf basieren die einzigartigen magnetischen Eigenschaften von Eisen-dotiertem Lithiumnitrid, die es nun im Detail zu verstehen gilt.

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