Defekte machen Magnete effizienter

Seltenerdmagnete sind für Hochleistungs-Elektromotoren in Fahrzeugen, Drohnen und Zügen unverzichtbar und bilden das Rückgrat einer modernen, umweltfreundlichen Mobilität. Dabei handelt es sich um sorgfältig konzipierte Materialien mit einer komplexen inneren Nanostruktur, die aus winzigen Bausteinen besteht, den Phasen. Jede Phase besitzt ihre eigene Kristallstruktur, Chemie und physikalische Beschaffenheit. Entscheidend für Stärke und Stabilität ist das Verhalten der Magnetisierung an den Grenzflächen dieser Phasen, was wiederum Auswirkungen auf die Effizienz und Zuverlässigkeit der Elektromotoren hat.

Transiente Domänen­struk­turen mit mar­kier­ten Pin­ning-Stel­len bei aus­ge­wähl­ten an­ge­leg­ten Fel­dern für (b) die Nano­struk­tur mit hohem Hc, (c) nie­dri­gem Hc und (d) die Über­gangs­zone zwi­schen voll­stän­di­ger und un­voll­stän­di­ger Nano­struk­tur.

Quelle: Giron et al. / NatureSpringer; CC-BY 4.0

Mit der Kombination fortschrittlicher magnetischer Messungen, verschiedener Mikroskopieverfahren und mikromagnetischer Simulationen untersuchten die Forschenden des SFB HoMMage einen leistungsstarken Samarium-Kobalt-Magneten, Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇, der für seine hervorragende thermische und chemische Stabilität bekannt ist. Moderne Bildgebungsverfahren machten einzelne Atome sichtbar und konnten zeigen, dass Magnete mit hoher und mittlerer Leistung zwar strukturell ähnlich aussehen können, sich jedoch im Nanobereich in ihrer chemischen Zusammensetzung stark unterscheiden.

Die Arbeitsgruppe Farle der Universität Duisburg-Essen (UDE) untersuchte dabei gemeinsam mit dem Ernst-Ruska-Zentrum (ERC) am Forschungszentrum Jülich die Geometrie magnetischer Domänenwände, die das makroskopische Verhalten des Magneten mitbestimmen.

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Leistungsschub für Permanentmagneten

Eine zentrale Entdeckung: die stärksten Magnete weisen an der Grenze einer kritischen inneren Phase eine ultradünne, kupferreiche Schicht – nur ein bis zwei Atome dick – auf. Diese atomare Struktur wirkt wie eine effektive Verankerungsbarriere, unterdrückt die Entmagnetisierung und ermöglicht so einen zuverlässigen Betrieb unter extremen Bedingungen.

Zudem zeigte sich, dass Korngrenzen, die lange als Schwach­stel­len galten, die Magnetleistung kaum beeinflussen. Das eigentliche Potenzial liegt vielmehr in der gezielten Optimierung der inneren Nanostruktur: Bereits kleinste atomare Veränderungen im Aufbau können Stärke und Stabilität des gesamten Magneten deutlich verbessern. Durch den Abgleich experimenteller Daten mit mikromagnetischen Simulationen identifizierten die Forschenden zudem „ideale Defekte“, die für maximale Stabilität entscheidend sind. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine gezielte Entwicklung leistungsfähigerer Magnete und machen zeitaufwendige Trial-and-Error-Ansätze weitgehend überflüssig. [UDE / TU Darmstadt / dre]