Praktikum am IFW in Dresden
vom 12. bis zum 23. Oktober 2015
Von Lisa Döhring und Gerd Gerdes

Vom 12.10.2015 bis zum 23.10.2015 fuhren wir, Lisa und Gerd (von den Berufsbildenden Schulen 2), im Rahmen der Auricher Wissenschaftstage zum Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) nach Dresden.

Das IFW ist Mitglied der Leibniz-Gesellschaft und beschäftigt sich mit den Materialwissenschaften. Es spannt dabei einen Bogen vom Erkenntnisfortschritt auf den Gebieten Physik und Chemie bis zur technologischen Vorbereitung neuer Materialien. Das IFW in verschiedene Institute untergliedert:

  • Institut für Festkörperforschung
  • Institut für Metallische Werkstoffe
  • Institut für Komplexe Materialien
  • Institut für Integrative Nanowissenschaft
  • Institut für Theoretische Festkörperphysik

Am Sonntag, den 11. Oktober, haben wir uns auf den Weg nach Dresden gemacht. Genau nach Zeitplan kamen wir am Hauptbahnhof in Dresden an und bezogen wenig später das TU Gästehaus am Weberplatz.

Vor dem Institut

Am nächsten Tag begannen wir mit unserem Praktikum. Wir wurden zwei verschiedenen Arbeitsgruppen zugeteilt. In einer Führung durch das IFW lernten wir unseren Arbeitsplatz und unsere Kollegen für die nächsten zwei Wochen kennen. Nach der Führung bekamen wir eine allgemeine Sicherheitsbelehrung und unsere Betreuer Dr. Thomas George Woodcock und Dr. Ulrike Wolff gaben uns eine ausführliche Einführung in die Grundlagen des Magnetismus.

Ich, Gerd, wurde der Arbeitsgruppe „Magnetische Materialien“ zugeteilt. Diese Arbeitsgruppe befasst sich hauptsächlich mit der Herstellung, Verarbeitung und Charakterisierung von Dauermagneten. Ziel der Arbeitsgruppe ist, die Wechselwirkung zwischen den Herstellungsparametern, der Mikrostruktur und den magnetischen Eigenschaften des magnetischen Materials grundlegend verstehen und kontrollieren zu können.

Handschuhbox mit Schutzgasatmosphäre
Permeagraph

In meiner ersten Woche habe ich für Kollegen Pulverproben aus massiven Stücken unter Schutzgasatmosphäre gemahlen. Aus dem resultierenden Pulver habe ich Proben für eine Röntgenuntersuchung vorbereitet und diese nach der Untersuchung ausgewertet. Ich habe zusätzlich Messungen von magnetischen Hystereseschleifen von 150 K (Kelvin) bis Raumtemperatur in einem Vibrationsmagnetometer mit supraleitendem Magnet, der ein Magnetfeld von 9 T (Tesla) erzeugt, durchgeführt. Die resultierenden Daten aus den Messungen habe ich mittels der Software „Origin“ graphisch darstellen lassen.

In meiner zweiten Woche habe ich die Ent­magneti­sie­rungs­kurven von verschiedenen Proben bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 200°C in einem Permeagraphen mit einem maximalen Magnetfeld von 2 T (Tesla), welches durch Elektromagneten erzeugt wird, aufgezeichnet. Bevor ich die Messung am Permeagraphen gestartet habe, habe ich die Proben in einem Impulsmagnetisiergerät gesättigt, um beim Start der Messung immer von derselben Magnetisierung der Probe ausgehen zu können. Im Anschluss habe ich die Ergebnisse mittels „Origin“ ausgewertet und sowohl graphisch als auch tabellarisch dargestellt. Ziel der von mir durchgeführten Messung war es, die Temperaturkoeffizienten der magnetischen Eigenschaften für verschiedene Hersteller zu bestimmen.

Ich, Lisa, habe mich mit der Magnetic Force Microscopy (MFM) oder auch magnetische Kraftmikroskopie im Zusammenhang mit dem Vibrating Sample Magnetometer (VSM) und der Kerr-Mikroskopie beschäftigt. Für mich galt es herauszufinden, ab welchem Zeitpunkt sich die magnetischen Strukturen in meiner Probe verändern.

Hysterese

Dazu habe ich mithilfe des VSM eine Hysterese erstellt, um die magnetischen Eigenschaften meiner Probe zu ermitteln. Die Probe, deren magnetische Eigenschaften vermessen werden sollen, ist an einem Probenhalter befestigt und wird in einem möglichst homogenen Magnetfeld positioniert.

Der Probenhalter selbst sollte eine geringe Magnetisierung aufweisen, um das Messergebnis nicht zu verfälschen. Das Magnetfeld wird von einem Elektromagneten erzeugt. Ein Piezo-Element versetzt den Probenhalter und die daran befestigte Probe in periodische Schwingungen. Meine Aufgabe war es, die Probe auf 3 Tesla zu magnetisieren und dann entlang der Hystereseschleife zu entmagnetisieren. Dabei wurden verschiedene Punkte auf der Hystereseschleife festgelegt, deren magnetische Eigenschaften es zu bestimmen galt.

Magnetische Kraftmikroskopie (MFM)

Dabei half mir die Magnetische Kraftmikroskopie (MFM). Das MFM stellt das magnetische Streufeld einer ferromagnetischen Probe mit einer Auflösung von 10—100 nm dar. In der magnetischen Kraftmikroskopie wird eine scharfe ferromagnetische Spitze in das Streufeld der zu untersuchenden Probe eingetaucht.

Die Spitze interagiert mit dem Streufeld der Probe und wird je nach Richtung dieses Feldes entweder angezogen oder abgestoßen. Es ist möglich topographische Details und Phasenbilder zu untersuchen. In den Phasenbildern werden die magnetischen Domänen dargestellt. Anhand der Domänen lässt sich die magnetische Ausrichtung des Werkstückes feststellen. Da meine Probe verschiedene Messpunkte in der Hysteresekurve hatte, konnte man die Domänenbildung und deren Ausrichtung mitverfolgen. Es ist jedoch notwendig, dass bei jeder Messung exakt die gleiche Stelle untersucht wird, um eindeutige Ergebnisse zu erhalten. Da man sich aber im Nanometerbereich befindet gestaltet sich die Suche schwierig.

Kerr-Mikroskop
Metallisches Glas longitudinal und trans­versal

Zudem beschäftigte ich mich mit der dem Kerr-Effekt und der Kerrmikroskopie. In einem Kerr-Mikroskop nutzt man den magnetooptischen Kerreffekt zur Abbildung magnetischer Domänen. Strahlt man linear polarisiertes Licht auf einen magnetischen Festkörper, so beeinflusst die Magnetisierung den Polarisationszustand des reflektierten Lichts. Eine bestimmte Magnetisierungsrichtung und damit eine magnetische Domäne erscheint dann hell und eine andere dunkel. Mit der Einstellung der Aperturblende wird die gewünschte sensitive Richtung (longitudinal, polar oder transversal) festgelegt. Durch Variation des Analysators werden somit den Domänen entsprechend ihrer Magnetisierungsrichtung verschiedene Grauwerte zugeordnet. Da mit einem modifizierten Lichtmikroskop gearbeitet wird, muss die untersuchte Probenoberfläche eben sein und poliert werden, um topographische Einflüsse weitgehend zu vermeiden. Als Probe untersuchte ich metallisches Glas. Anhand der entstanden Bilder konnte ich die Domänen und ihre Wirkungsrichtungen betrachten und Zug- bzw. Spannungszonen der Probe ermitteln.

An dieser Stelle bedanken wir uns recht herzlich bei unseren Betreuern am IFW und den Organisatoren der Auricher Wissenschaftstage, dass sie uns dieses Stipendium ermöglicht haben. Wir hoffen, dass andere Schüler auch die Möglichkeit bekommen, eine so interessante und lehrreiche Erfahrung machen zu können.

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