Institutionen för teknikvetenskaper

Magnetiska material

Inom forskargruppen Magnetiska material studerar vi ett brett spektrum av magnetiska material med egenskaper som gör materialen intressanta för tillämpningar inom bioteknik, energiteknik och spinntronik. Vi kombinerar magnetiska nanopartiklar med molekylära verktyg för att utveckla enkla men ändå känsliga diagnostiska metoder som ger snabba patientsvar; vi studerar nya permanentmagnetmaterial utan innehåll av sällsynta jordartsmetaller som kan användas i förnybara energikällor och magnetokaloriska material som kan användas på ett energismart sätt i kylskåp och värmepumpar; och vi undersöker mikrovågsegenskaperna hos magnetiska filmer och mikro/nanostrukturerade magnetiska ytor med avsikt att skräddarsy materialens egenskaper för spinntroniktillämpningar. Vi har även en mer grundforskningsinriktad verksamhet där vi studerar mesokristaller uppbyggda av magnetiska nanopartiklar, frustrerade magnetiska system och starkt korrelerade elektronsystem.

Pågående forskning inom området

Ta del av våra publikationer

Biomagnetiska tillämpningar

Det finns ett ökande behov inom samhälle, industri och akademi att utveckla nya enkla, snabba och kostnadseffektiva biosensorplattformar för varierande tillämpningar exempelvis sjukdomsdiagnostik (human och veterinärmedicinska sammanhang) samt detektion av patogener (bakterier/virus) relaterade till livsmedelskontroller, livsmedelsproduktion samt bedömning av dricksvattenkvalitet.

Detektionsprinciper baserade på användandet av magnetiska nanopartiklar (pärlor) har stor potential för att utgöra grunden för sådana biosensorplattformar. Vidare är det fördelaktigt att integrera och automatisera alla steg i testet (igenkänning, märkning och utläsning) i en chipbaserad enhet vilket benämns lab-on-a-chip.

För molekylär igenkänning av patogenerna inom detta projekt används dels s.k. molekylära verktyg såsom hänglåsprober, rullande cirkelamplifiering samt cirkel-till-cirkel amplifiering. Detta molekylära protokoll ger upphov till stora nystan av DNA i lösning med en repeterande DNA sekvens. Magnetiska nanopartiklar med Brownskt relaxationsbeteende konjugeras med detektionsprober vilka är komplementära till nystanen. Således binder nanopartiklarna till nystanen och upplever därmed en kraftig ökning i hydrodynamisk storlek. Vi arbetar också med immunomagnetiska protokoll d.v.s. nanopartiklarna konjugeras med antikroppar.

För utläsning används i huvudsak ett optomagnetiskt sensorsystem beståendes av en Blu-ray laser, excitationsspolar som genererar ett AC magnetfält samt en fotodetektor (se illustration). Excitationsfältet ger upphov till en frekvensberoende modulation av intensiteten för det transmitterande ljuset. Magnetiska nanopartiklar med ökad volym har ett annat optomagnetiskt svar än fria partiklar vilket kan användas för kvantifiering av mängden målmolekyler i provet.

Optomagnetisk sensorsystem

En alternativ utläsningsplattform som utvärderas bygger på att mikrometerstora magnetiska pärlor konjugerade med prober (t.ex. antikroppar) blandas med provet innehållandes den analyt man vill detektera och flödas in i en cell innehållandes ett chip som har en detektionsyta av guld med transportbanor beståendes av ellipsformade magnetiska element (se illustration). Genom att lägga på ett roterande magnetfält kan partiklar fås att vandra längs banorna, detta kallas magnetofores. Detektionsytan förses med prober vilket ger upphov till att pärlor fastnar på detektionsytan när målmolekylerna är närvarande (sandwich assay). Kvantifiering av koncentrationen målmolekyler kan sedan göras genom att räkna antalet pärlor på detektionsytan i ett enkelt ljusmikroskop.

Plattform för magnetofores

I projektets senare del vill vi integrera och automatisera provprepareringen i sensorsystemet för att åstadkomma en prototyp för ett komplett analyssystem.

Biosensorplattformen som kommer att utvecklas inom projektet bedöms ha stor potential att kunna användas i utvecklingsländer för kostnadseffektiv, snabb och användarvänlig detektion av patogener relaterade livsmedelsproduktion samt dricksvattenkontroller. Patogener av särskild relevans för projektet är t.ex. salmonella, campylobacter och e. coli.

Kontaktperson och forskningsledare: Tekn.dr. Mattias Strömberg, avdelningen för fasta tillståndets fysik, Uppsala universitet

Deltagande/samarbetande forskargrupper:

  • Uppsala universitet, avdelningen för fasta tillståndets fysik, gruppen för experimentell magnetism: Mattias Strömberg (PI), Tian Bo (doktorand) och Changgang Xu (postdoc). Ansvarar huvudsakligen för projektets genomförande.

  • Stockholms universitet/Science for Life Laboratory: Mats Nilsson och Annika Ahlford. Bidrar med kunskap om molekylära verktyg och mikrofluidiska provprepareringsplattformar.

  • Danmarks tekniska universitet: Mikkel Fought Hansen och Marco Donolato. Utveckling av chipbaserade magnetiska sensorsystem (planar Hall effect, optomagnetiskt) med integrerad mikrofluidik.

  • Statens veterinärmedicinska anstalt: Mikael Leijon m.fl. Kunnande kring patogener relaterade till veterinärmedicin och livsmedelsindustri.

  • Uppsala universitet, avdelningen för nanoteknologi och funktionella material: Maria Strømme och Teresa Zardàn Gòmez de la Torre.

  • Uppsala universitet, Institutionen för medicinska vetenskaper, Klinisk Mikrobiologi och Infektionsmedicin.

Finansiär: Formas, projektbidrag för unga forskare (Dnr. 221-2012-444)

Projektperiod: 2013-06-01 till 2017-12-31 (slutdatum preliminärt)

Överst på sidan

Frustrerade magnetiska system

Magnetiska legeringar och kemiskaföreningar tillverkas oftast av järn, mangan och kobolt ibland i kombination med neodym eller annan sällsynt jordartsmetall. Materialen ordnas magnetiskt under en kritisk temperatur p.g.a. atomär växelverkan som kan vara ferromagnetisk eller antiferromagnetisk. Denna ordning störs av oundviklig större eller mindre grad av atomär oordning som direkt påverkar materialets magnetiska egenskaper. Många atomkombinationer ger dessutom upphov till att både ferro- och antiferromagnetisk växelverkan existerar samtidigt – denna tävlan mellan parallell- och antiparallellupplinjering av magnetiska moment kan ge upphov till frustration (se figur) och egenskaper som (ännu oförutsägbart) skiljer sig från rena ferro- eller antiferromagnetiska system. Liknande tävlan mellan ferro- och antiferromagnetisk ordning uppstår också genom dipolväxelverkan i agglomerat av magnetiska nanopartiklar.

Tillfredsställda (A, B) och frustrerade (C, D) växelverkansmönster
mellan tre spinn (här betecknar + ferromagnetisk och
– antiferromagnetisk växelverkan). 

Oordnade och frustrerade magnetiska system, både atomära och partikulära, är ett forskningsområde som vi studerar experimentellt inom avdelningen. Verksamheten har rötter i tidigt 1980-tal och innefattar idag studier av naturligt och artificiellt nanostrukturerade material för att beskriva, förstå och koppla egenskaper hos spinn glas, superspinn glas och frustrerade ferro och antiferromagnetiska material till ännu ofullständig teori.  System som uppvisar egenskaper från rent ferromagnetiska till subtila beteenden innefattande dynamik som visar åldrings-, minnes- och pånyttfödelsefenomen.

Kontaktperson: Professor Per Nordblad eller universitetslektor Roland Mathieu

Överst på sidan

Magnetiska material för energi- och råvaruhushållning

Permanentmagneter utan sällsynta jordartsmetaller

Utvecklingen av miljövänliga energikällor beror till stor del av tillgången på högkvalitativa permanentmagneter (PM). I en vindkraftsgenerator finns t.ex. 300 kg magneter. De bästa PM som finns idag innehåller sällsynta jordartsmetaller (förkortat RE, eng. Rare Earth). Exportkvoter från Kina, den dominerande producenten, har dessvärre orsakat prisstegringar på RE-material. Detta har lett till ett intensifierat sökande efter nya PM-material som inte innehåller RE.

Ett kvalitetsmått på PM är den maximala energiprodukten (BH)max som är den största nyttiga energin som kan lagras i en PM. Den beror av den remanenta magnetiska flödestätheten, Br. Ett annat kvalitetsmått är koercivfältet, Hc som är ett mått på hur tålig en PM är mot att avmagnetiseras av ett yttre fält. De högsta värdena idag återfinner vi hos RE-material: (BH)max = 400 kJ/m3 och Hc = 2 MA/m.

Lika viktig är den kritiska temperaturen, Tc, över vilken materialet är omagnetiskt. Man kan dela in PM i grupper enligt diagrammet nedan: Nd2Fe14B-magneterna är överlägset bäst men ferriterna används mest p.g.a. låga produktionskostnader. Ferriterna har dock så låg Br och därmed (BH)max (45 kJ/m3) att mycket mer material behövs i olika tillämpningar jämfört med då RE-magneter används.

Olika permanentmagneters egenskaper

Ett mål med detta projekt är att hitta en PM där (BH)max överstiger 100 kJ/m3, alltså betydligt högre än hos en ferrit men lägre än de bästa RE-baserade PM. Detta kräver att Br och Hc är i storleksordningen 0.7T respektive 1T respektive 1 MA/m.  Dessutom måste Tc överstiga 600 K.

Jakten på nya PM-material börjar lämpligen bland järnrika metallföreningar med låg symmetri. Material med låg kristallsymmetri brukar i allmänhet uppvisa hög magnetisk anisotropi, vilket är ett nödvändigt villkor för att uppnå stort Hc. Sökandet utgör ett samarbete mellan olika forsknings-dicipliner; experimentell kemi respektive fysik, materialteori och industri.

Ett material av intresse är (Fe1-xCox)2B som har enaxlig magnetisk anisotropi, Tc > 900 K och en möjlig Br på 1.3T. Vi kommer också att undersöka s.k. tetragonalt distorderade järnkarbider. Nyligen har teoretiska beräkningar visat att dopning påverkar kristallgittret vilket i sin tur kan öka den magnetiska anisotropin. Men för ögonblicket är det MnAl-föreningar som tilldrar sig vårt största intresse. Mn har ett stort magnetiskt moment per atom, men momenten ordnar sig antiferromagnetiskt. I förening med Al ökar avståndet mellan Mn-atomerna och momenten växelverkar ferromagnetiskt. Legering med t.ex. kol stabiliserar strukturen. Forskningsgruppen har redan framställt MnAl-baserade material med ytterst lovande egenskaper.

Projektet kommer att resultera i ett nytt, RE-fritt, PM-material som kan formas med metallurgiska produktionsmetoder.

Kontaktperson: Universitetslektor Klas Gunnarsson

Magnetokaloriska material

Dagens frysar, kylskåp, luftkonditioneringsanläggningar och värmepumpar drivs med gas-kompressions teknik som är onödigt energikrävande och använder växthusgaser som kylmedia. Alternativa tekniker kan ge både energibesparing och mindre miljöfarliga utsläpp. Magnetokaloriska termodynamiska processer är effektiva och skulle ge 20% lägre energiförbrukning än dagens kyl/värme maskiner. I ett institutionsövergripande forskningsprojekt stött av vetenskapsrådet undersöker och söker vi lämpliga magnetiska material för magnetokaloriska tillämpningar. Materialsystemet (Fe1-yMny)2P1-xSix blir ferromagnetiskt via en sammansättningsberoende 1:a ordningens fasövergång nära rumstemperatur och omfattande forskningsresultat indikerar att detta system har tillämpbara magnetokaloriska egenskaper.

Magnetiokalorisk effekt
Fasdiagram FeMn(P1-xSix), visar också Curie temperatur Tc och magnetisering M som funktion av x. Figur från V. Höglin et al J. RSC Adv. 2015, 5, 8278.

Kontaktperson: Professor Per Nordblad

Överst på sidan

Magnetiska nanopartiklar

En magnetisk vätska är en dispersion av superparamagnetiska partiklar som fortsätter att vara dispergerade även om den magnetiska vätskan befinner sig i ett starkt magnetfält. Ett annat ord för en magnetisk vätska är ferrofluid. De första ferrofluiderna utvecklades på 60-talet av NASA som ett försök till att manipulera vätskor i rymden. Det visade sig senare att ferrofluider kunde användas för förbättring av ett flertal lite mer vardagliga tillämpningar så som försegling av roterande axlar, smörjmedel, stötdämpare och kylmedel.

En magnetisk nanopartikel kan antingen innehålla en enstaka magnetisk kärna i ett magnetiskt eller omagnetiskt skal (single-core) enligt Figur1 A. Eller så kan den innehålla ett flertal nanokristaller sammanbundna i en omagnetisk matris, då kallas den för multi-core, se Figur 1 B. När en dispersion av nanopartiklar används i biotekniktillämpningar är det viktigt att den är stabil, det vill säga nanopartiklarna får inte agglomerera. När nanopartiklar används i biotekniktillämpningar är de ofta ytfunktionaliserade med till exempel detektionsprober. För att förhindra att nanopartiklarna agglomererar och för att underlätta ytfunktionaliseringen täcks nanopartiklarna med ett hölje, se Figur 1 C. Höljet har också som funktion att skydda nanokristallerna från oxidation och/eller erosion.

Magnetisk nanopartikel
Figur 1 A) Single-core magnetisk nanopartikel. B) Multi-core magnetisk nanopartikel. C) Multi-core magnetisk nanopartikel med ytfunktionalisering.
Figur 2 Sex olika typer/storlekar av single-core järnoxid nanopartiklar.

NanoMag

Målet med det EU-finansierade NanoMag-projektet är att standardisera, förbättra och omdefiniera analysmetoder för magnetiska nanopartiklar. Genom att använda förbättrade tillverkningstekniker kan nanopartiklar med specifika egenskaper syntetiseras, dessa kan sedan analyseras med hjälp av en uppsjö av karakteriseringsmetoder fokuserade på både strukturella så väl som magnetiska egenskaper.

NanoMag för samman ledande experter inom tillverkningsmetoder för single- och multi-core nanopartiklar, analyser och karakterisering av magnetiska nanostrukturer och nationella metrologiinstitut. NanoMag-projektet samlar partner så som forskningsinstitut, universitet och metrologiinstitut, där alla utför spetsforskning och arbetar med utveckling av tillämpningar för magnetiska nanopartiklar.

Stavformade magnetiska nanopartiklar

Det här postdoktorala projektet är en del av ett större Formas unga forskare-projekt som har som mål att utveckla en magnetisk biosensor-plattform för veterinärmedicinska tillämpningar. Utläsningsformatet för sensorn är baserat på frekvensberoende optomagnetiska egenskaper hos en dispersion av magnetiska nanopartiklar. För att sensorn ska bli så känslig som möjligt krävs ett maximalt optomagnetiskt svar från nanopartiklarna, vilket kan åstadkommas genom att skräddarsy dem med avseende på till exempel morfologi och materialval. Det magnetiska materialet skulle kunna vara järnoxid (magnetit/maghemit) eller något ferromagnetiskt material så som till exempel kobolt. I projektet kommer stavformade och/eller ovala nanopartiklar att syntetiseras för att senare karakteriseras med avseende på statiska och dynamiska magnetiska och optomagnetiska (anisotrop ljusspridning) egenskaper. De nanopartiklar som bedöms ha de bästa egenskaperna för sensorn kommer senare i projektet att ytfunktionaliseras med olika typer av biomolekyler, till exempel DNA eller antikroppar.

Mesokristaller

Mesokristall av nanopartiklar
Figur 3 Mesokristall uppbyggd av järnoxid nanopartiklar

Mesokristaller är en speciell sorts kristaller. Traditionella kristallina material är uppbyggda av atomer i perfekt 3D-formation. Mesokristaller uppvisar också perfekt ordning men är istället uppbyggda av till exempel magnetiska nanopartiklar. Mesokristaller bestående av olika stora nanokristaller, med ingen eller liten rumslig växelverkan på nanometerskalan, finns naturlig i ett flertal biomineraler så som taggarna på en sjöborre eller planktonskal.

I det här arbetet har likformiga järnoxid-nanopartiklar i form utav kuber i två storlekar (9,6 och 12,6 nm) syntetiserats genom en termisk nedbrytningsprocess. Med hjälp av en förångningsprocess och ett pålagt lateralt magnetfält samlas nanopartiklarna på ett substrat. Nanopartiklarna kommer spontant att bilda nålformade mesokristaller (diameter ca 10 µm) med mycket stort förhållande mellan längd och diameter. De temperaturberoende AC-magnetiska egenskaperna mäts parallellt och transversellt med längden på kristallerna. Dessa egenskaper skiljer jämfört med de som är uppmätta för icke växelverkande nanopartiklar i en utspädd dispersion, vilket innebär att de har ett kollektivt ursprung.

Kontaktperson: Professor Peter Svedlindh

Överst på sidan

Oxider av övergångsmetaller och starkt korrelerade elektroner

En lokaliserad elektron i ett magnetiskt material har en laddning, ett spinn, och en orbital som framställer formen (eller banan) av elektronmolnen i ämnet. I material med starka elektronkorrelationer, är alla dessa frihetsgrader beroende av varandra, så att de magnetiska, elektriska, och även de optiska egenskaperna bestäms av den särskilda orbitalordningen. Den koppligen gör att oxider av övergångsmetaller uppvisar fascinerande fenomen såsom kolossal magnetoresistans (CMR, "Colossal magnetoresistance"), multiferroicitet, eller hög-temperatur supraledning [1,2].

Multiferroiska material uppvisar flera ferroiska egenskaper, som till exempel ferromagnetism och ferroelektricitet [3]. Sådana material med två polariseringar (en magnetisk och en elektrisk) är mycket attraktiva för tillämpningar inom spinntroniska enheter som lagringsmedia och sensorer för datorer och mobiltelefoner. Om de magnetiska och dielektriska egenskaperna är kopplade uppstår det så kallade magnetoelektriska effekter. Exempelvis kan det magnetiska tillståndet (som motsvarar information i en lagringsmedia) ändras med hjälp av elektriska fält eller ström, dvs på ett mycket enklare sätt än i konventionella magnetiska material som kräver att ett magnetfält används [4].

I samarbete med andra forskargrupper i Uppsala och utomlands (en lista över publikationer och samarbetspartner finns på denna sida samt här), studerar vi de fysiska egenskaperna hos nya material för att förstå ursprunget till t.ex. magnetoresistans och multiferroicitet. Vi undersöker material i bulk form samt som nanopartiklar och nanokompositer. Nedan illustrerar vi några av våra senaste resultat.

Nanoscale homogeneity in the ferromagnetic insulator (La,Ca)MnO3.
Homogenitet ner till nanonivå i den ferromagnetiska isolatorn (La,Ca)MnO3.Hämtat från P. Anil Kumar et al., Phys. Rev. X 4, 011037 (2014).
New M3TeO6 family of magnetoelectric multiferroics: (Ni,A)3BO6 (A=Ni, B=Te or A=In,Sc, B=Sb).
M3TeO6: en ny klass av multiferroiska material; exempel: (Ni,A)3BO6 (A=Ni, B=Te or A=In,Sc, B=Sb).Hämtad från S. A. Ivanov et al., Chem. Mater. 25, 935 (2013).
Ferrimagnetic ilmenite and antiferromagnetic perovskite states of Mn2FeSbO6.
Mn2FeSbO6: en ferrimagnetisk ilmenit och en antiferromagnetisk perovskit. Hämtad från R. Mathieu et al., Phys. Rev. B 87, 014408 (2013).
Multiglass state and room-temperature magnetodielectric effects in La2NiMnO6.
"Multiglas" och magnetodielektriska effekter vid rumstemperatur i La2NiMnO6. Hämtad från D. Choudhury et al., Phys. Rev. Lett. 108, 127201 (2012).

Referenser:
[1] “Complexity in Strongly Correlated Systems”, E. Dagotto, Science 309, 257 (2005).
[2] “Orbital Physics in Transition-Metal Oxides”, Y. Tokura and N. Nagaosa, Science 288, 462 (2000).
[3] “Classifying multiferroics: Mechanisms and effects ”, D. Khomskii, Physics 2, 20 (2009).
[4] “Multifunctional Magnetoelectric Materials for Device Applications”, N. Ortega, A. Kumar, J. F. Scott, and R. S. Katiyar, preprint; available at http://arxiv.org/abs/1403.1838

Kontaktperson: Universitetslektor Roland Mathieu

Överst på sidan

Magnetiska material med skräddarsydda egenskaper för nya applikationer inom spinntronik och magnonik

Det här projektet, som stöds av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, bedrivs som ett samarbete mellan institutionerna för Teknikvetenskaper och Fysik och Astronomi vid Ångströmlaboratoriet, samt med den grupp som leds av professor Johan Åkerman vid Göteborgs Universitet.

I en del av projektet kommer vi att studera magnoniska kristaller, den magnetiska motvarigheten till fotoniska kristaller. Informationbäraren i magnonik är spinnsvängningar/vågor som i det något längre tidsperspektivet kommer att innebära möjligheter att ersätta mikrovågsteknik i mobiltelefoner och trådlösa nätverk med mindre, billigare och mer resurseffektiva komponenter. Genom nanostrukturering av magnetiska filmer och multilager kommer vi att tillverka tvådimensionella magnoniska kristaller. Målet är att hitta finurliga nanomönster som gör det möjligt att styra spinnvågornas utbredning i kristallen. I en annan del av projektet letar vi efter nya magnetiska material som kan förbättra dagens spinntronik och magnonik. Material som vi kommer att undersöka är magnetiska material som kan deponeras som tunna epitaxiella filmer på kända halvledarmaterial, exempelvis binära Mn-Al legeringar, Co-baserade Heusler legeringar samt magnetit (Fe3O4). Målet för alla material blir att skräddarsy egenskaper som är av betydelse för spinntroniska och magnoniska tillämpningar, särskilt mättnadsmagnetisering, effektiv magnetisk anisotropi och dämpning av spinnvågor. Ett viktigt resultat blir att genom materialval kunna styra spinndynamikens resonansfrekvens från några GHz till frekvenser långt över 100 GHz.

Principskiss för material med stark spinn-ban koppling

Genom att kombinera våra optimerade magnetiska filmer med icke-magnetiska material som uppvisar stark spinn-ban koppling, d.v.s. material där elektronernas spinn och deras rörelse genom materialet är starkt kopplade, skapas spinnströmmar i filmerna genom att utnyttja en effekt som kallas för spinn Hall effekten (SHE). SHE innebär att en ström av laddningar omvandlas till en ström av eletronspinn. Vi studerar även den omvända effekten, d.v.s. att en spinnström omvandlas till en ström av laddningar och därmed ett mätbart elektiskt fält (EISHE).

Grafen är ett spännande material som vi vill använda för transport av spinnströmmar. Grafen har mycket liten spinn-ban koppling och är därför inte användbar för SHE, men en liten spinn-ban koppling innebär att eletronspinnet kan behålla sin riktning en längre tid.

Kontaktperson: Professor Peter Svedlindh

Överst på sidan