Obwohl Samarium-Kobalt-Magneten bereits in den frühen 1960er Jahren entdeckt wurden, war der ihren Eigenschaften zugrunde liegende Domänenwand-Pinning-Mechanismus bislang rätselhaft. Forscher der TU Darmstadt konnten jetzt zeigen, dass der Eisengehalt die Ausbildung einer diamantförmigen Zellstruktur steuert, welche die Dichte und Stärke der Domänenwand-Pinning-Zentren und damit die Koerzitivfeldstärke, also gleichsam die Widerstandskraft gegen Entmagnetisierung, dominiert. Durch die Verwendung eines aberrationskorrigierten Rastertransmissionselektronenmikroskops mit atomarer Auflösung in Kombination mit mikromagnetischen Simulationen konnten Wissenschaftler erstmals die Atomstruktur der einzelnen Phasen aufdecken sowie eine direkte Korrelation zu den makroskopischen magnetischen Eigenschaften herstellen. Im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen kann dieses Wissen zur Herstellung von Samarium-Kobalt-Permanentmagneten mit verbesserter magnetischer Leistung angewendet werden.
Abb.: Zwei der beteiligten Forscher: Leopoldo Molina-Luna (l.) und Michael Dürrschnabel arbeiten am aberrationskorrigierten Rastertransmissionselektronenmikroskop. (Bild: F. Fernandes, TU Darmstadt)
Pinning-dominierte Permanentmagnete, die bei Temperaturen über hundert Grad Celsius stabil arbeiten können, steigern die Leistungsfähigkeit von magnetbasierten industriellen Anwendungen. Dazu gehören Mikrowellenröhren, Gyroskope und Beschleunigungsmesser, Reaktions- und Impulsräder zum Beispiel zur Steuerung und Stabilisierung von Satelliten, Magnetlagern, Sensoren und Aktoren. Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17 ist ein wichtiges industriell verwendetes Materialsystem, da es sowohl eine hohe Curie-Temperatur als auch eine hohe magnetokristalline Anisotropie besitzt. Im Gegensatz zu nukleationsgesteuerten Nd-Fe-B-basierten Permanentmagneten behält der Sm2Co17-Typ bei hohen Temperaturen seine hervorragenden magnetischen Eigenschaften bei.
Um hohe magnetische Leistungen zu erhalten, ist es zum einen notwendig, die Syntheseparameter bei der Herstellung präzise zu steuern und zum anderen die atomare Struktur und das Verhalten der beteiligten Phasen gründlich zu verstehen. Eine höhere Sättigungsmagnetisierung, die durch einen erhöhten Eisengehalt erreicht wird, ist für die Erreichung größerer Energieprodukte in diesen Seltenerd-Permanentmagneten von wesentlicher Bedeutung. Das Forscherteam entwickelte Sm2Co17-Modellmagneten mit einem erhöhten Eisengehalt. Eine chemische Modifikation durch Zugabe von Eisen, Kupfer und Zirconium erzeugt eine besondere Nanostruktur.
Weitere Untersuchungen an der TU Darmstadt zu diesem Materialsystem werden temperaturabhängige Studien beinhalten. Eine Vision der Wissenschaftler ist es, die Mechanismen, welche zu einer verbesserten magnetischen Leistung bei Sm2Co17-basierten und verwandten Permanentmagneten führen, weiter zu untersuchen. Das würde einen großen Durchbruch auf diesem Gebiet darstellen. Darüber hinaus sind spezielle ortsspezifische Elektronenenergieverlustmessungen geplant, welche den magnetischen chiralen Dichroismus als Basis für eine quantitative, lokale Bestimmung der Magneteigenschaften verwenden.
TU Darmstadt / RK