Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7390

Charge-Induced Tunable Magnetic Properties in Transition Metal Alloys

Sadhan Ghosh

Abstract
Ferromagnetism in transition metals is fundamentally related to the electronic density of states. Therefore, it is interesting to study how far one can modify the magnetic order of solids by changing their electron density. The approach appears particularly promising in nanostructured materials, since high surface to volume ratio maximizes the effect of local property changes in the space-charge layers at the surface. Here, we explore how far the magnetization of nanoporous transition metal alloys may be modified by polarizing their surfaces against an electrolyte. Though the Thomas-Fermi screening length is around one lattice constant in metals, a significant reversible variation of magnetization and susceptibility for Pd-Ni and Pd-Co alloys has been observed at room temperature during charging of the metal surfaces in an electrolyte. The experimental investigation put forward two possible underlying mechanisms, 1) a direct effect of the modified electron density near the surface on the magnetic moment per atom, and 2) an indirect interaction, where the magnetization is affected by the surface-induced stress in the bulk via magnetoelastic coupling. At the end, it was found that magnetoelastic response effect on its own can explain the experimental observations as electrochemical charging leads to elastic strain or stress in the nanoporous structure.

Mittels elektrischer Ladungen durchstimmbare magnetische Eigenschaften in Übergangsmetalllegierungen

Zusammenfassung
Der Ferromagnetismus in Übergangsmetallen hängt grundlegend von der elektronischen Zustandsdichte ab. Folglich ist es aufschlussreich, zu untersuchen, inwieweit man die magnetische Ordnung von Festkörpern ändern kann, indem man ihre Elektrondichte ändert. Dieser Ansatz erscheint für nanostrukturierte Materialien besonders viel versprechend, da das hohe Verhältnis von Oberfläche zum Volumen die Auswirkungen von lokalen Eigenschaftsänderungen in den Raumladungsschichten an der Oberfläche maximiert. Hier erforschen wir, wie weit die Magnetisierung der nanoporösen Übergangsmetalllegierungen durch die Polarisierung ihrer Oberflächen in einem Elektrolyten geändert werden kann.Obwohl die Thomas-Fermi-Abschirmlänge in Metallen nur etwa eine Gitterkonstante beträgt, ist eine bedeutende reversible Änderung der Magnetisierung und der Suszeptibilität für Palladium-Nickel- und Palladium-Kobalt-Legierungen bei Raumtemperatur beobachtet worden, wenn die Metalloberfläche in einem Elektrolyten aufgeladen wurde. Die experimentelle Untersuchungen legen zwei mögliche zugrundeliegende Mechanismen nahe: 1. der direkte Effekt der nahe der Oberfläche geänderten Elektrondichte auf das magnetische Moment pro Atom und 2. eine indirekte Wechselwirkung, bei der die Magnetisierung durch den von der Oberfläche verursachten Druck im Volumen über magnetoelastische Koppelung beeinflußt wird. Schließlich wurde gezeigt, dass allein die magnetoelastischen Wirkungen die experimentellen Beobachtungen erklären können, weil die elektrochemische Aufladung zu Spannungen und Dehnungen in der nanoporösen Struktur führt.

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