Exchange Bias in FePt–FePt₃ Thin Films by Controlled Phase Transition of Blended Nanoparticle Building Blocks

Abstract

Nanostructured composite thin films showing magnetic exchange coupling at the material interface have attracted great interest for the development of electronic components such as spin-valves. Besides the commonly performed fabrication of multilayer systems, the utilization of nanoparticle building blocks holds great potential for thin films with tailored magnetic properties and allows the facile but controlled combination of materials with complementary magnetic characteristics. In this work, we present the use of prefabricated highly crystalline iron platinum (fcc-FePt) and iron oxide (Fe x O y ) nanoparticles for the preparation of nanocomposite thin films with varying compositions by wet processing from mixed dispersions. The resulting multiphase coatings showed high homogeneity, low surface roughness, and superparamagnetic behavior. By the variation of the amount of incorporated iron oxide, a precise adjustment of the magnetization at high field strength could be achieved. Furthermore, calcination under inert gas atmosphere resulted in a controlled phase transition of the magnetic phases and thus, in purely metallic coatings composed of ferromagnetic fct-FePt and antiferromagnetic fcc-FePt 3 , a decrease in surface roughness as well as high magnetic coercivity at room temperature. Field-cooling below the Neél temperature of fcc-FePt 3 led to an exchange bias effect with a strong increase in coercivity and the characteristic hysteresis shift. In comparison to the literature, our nanocomposite thin films showed fully ordered phases without the occurrence of phase impurities, a distinctly higher coercivity, and an exchange bias shift of 38.7 mT.

Herstellung von Nanokomposit‐Dünnschichten mit speziellen magnetischen Eigenschaften aus nanopartikulären Bausteinen

“…Platin(II)-acetylacetonat (Pt(acac) 2 , 98 %) wurde von Acros Organics (Geel, Belgien) gekauft. FePt-Fe x O y -Nanokomposit-Dünnschichten sowie eine Reihe weiterer Zusammensetzungen werden in [45] näher diskutiert.…”

“…exchange bias, EB) kommen, bei der die magnetische Hysteresekurve aus einer zum Nullpunkt symmetrischen Position entlang der Magnetfeldachse verschoben vorliegt. Die Multilagensysteme werden für gewöhnlich mithilfe von Methoden der Gasphasenabscheidung wie der Kathodenzerstäubung [38,39] oder der Molekularstrahlepitaxie [40,41] [45]. Dieser Forschungsbeitrag verfolgt das Ziel, das Prinzip der Herstellung magnetischer Kompositschichten durch einen Vergleich mit Bariumferrit-Eisenoxid-Kompositen breiter darzustellen sowie für beide Systeme die gesamte Prozesskette ganzheitlich von der Partikelsynthese bis zur Schichtherstellung und -charakterisierung zu diskutieren.…”

“…Für das FePt‐System wurden durch die folgende Kalzinierung unter Argonatmosphäre Schichten mit EB‐Eigenschaften erhalten, während das Bariumferrit‐System bei thermischer Behandlung an Luft Filme mit einer deutlichen magnetischen Hysteresekurve und somit typisch hartmagnetischen Eigenschaften bildete. Die Ausbildung der Schichten mit EB‐Eigenschaften aus Mischungen von Eisenplatin‐ und Eisenoxid‐Nanopartikeln unterschiedlicher Zusammensetzung wurde kürzlich an anderer Stelle berichtet . Dieser Forschungsbeitrag verfolgt das Ziel, das Prinzip der Herstellung magnetischer Kompositschichten durch einen Vergleich mit Bariumferrit‐Eisenoxid‐Kompositen breiter darzustellen sowie für beide Systeme die gesamte Prozesskette ganzheitlich von der Partikelsynthese bis zur Schichtherstellung und ‐charakterisierung zu diskutieren.…”

Facile one-pot synthesis of water-soluble fcc FePt3 alloy nanostructures

“…In recent years, bimetallic nanocrystals have received significant attention for nanoengineering, nanoelectronics and nanomedicine because of their particularly physical and chemical properties. Iron platinum alloy nanostructures in the L1 0 , L1 1 and L1 2 phases were engineered for applications as being magnetic sensors, catalysts, drug delivery tools, and biomedical imaging [6,14,21,27,32,39]. Highly ordered FePt alloy nanocomposites exhibit an encouraging potential for ultrahigh density magnetic recording media and high-performance permanent magnets due to their uniaxial magnetocrystalline anisotropy, whereas chemically disordered FePt alloy nanoparticles promise applications in medical diagnostics (e.g.…”

“…FePt and FePt 3 alloys may crystallize in three different crystal structures: FePt 3 (L1 2 , AuCu 3type cubic), FePt (L1 0 , AuCu-type tetragonal) and Fe 3 Pt (L1 2 , AuCu 3 -type cubic), the magnetic properties of which depend on the synthesis procedure [2,8,9,14]. On the other hand, in the respective chemically disordered hightemperature FePt phase, the Fe and Pt atoms are randomly distributed over the lattice sites and thus, exhibit isotropic magnetic behavior [27,35]. The most common synthesis routes for preparing FePt, Fe 3 Pt or FePt 3 nanoparticles are the thermal decomposition technique and the polyol synthesis [21,23].…”