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J. Krippel:
"Wet chemical synthesis and pulsed field studies of magnetoelectric composites";
Betreuer/in(nen): R. Grössinger; Institut für Festkörperphysik E138, 2015; Abschlussprüfung: 11.02.2015.

Die mögliche Kopplung von elektrischer Polarisation und der Magnetisierung in magnetoelektrischen Materialien, hat enormes Interesse an derartigen Verbindungen innerhalb der letzten zwanzig Jahre ausgelöst. Die Kombination von ferroelektrischen und magnetischen Materialien in neuartigen Kompositverbindungen ermöglicht magnetoelekrisches Verhalten bei Raumtemperatur. In dieser Arbeit werden magnetoelektrische Pulver-Komposite aus magnetostriktivem CoFe2O4 und piezoelektrischem BaTiO3 bzw. CoFe2O4 und Pb(ZrTi)O3, hergestellt mittels verschiedener Sol-Gel-Synthesemethoden, präsentiert. Außerdem wird der Einfluss von chemischer Synthese und Produktionsparametern wie Stoichiometrie, Sinter- und Presskonditionen auf den magnetoelektrischen Koeffizienten und auf die Mikrostruktur der Verbindungen untersucht. Der Sol-Gel Prozess überzeugte im Vergleich mit herkömmlichen keramischen Methoden bzw. mechanischem Vermischen der Ausgangsstoffe durch das Erreichen einer homogenen Mikrostruktur, hoher Dichte und guter Verteilung von Ferrit- und PZT-Partikeln. Das Komposit mit der Zusammensetzung 55% Kobaltferrit and 45% PZT, gesintert bei 1000°C für zwei Stunden, erreichte den höchsten magnetoelektrischen Koeffizienten von -=2.97~mV/(cm*Oe). Eine neue Messmethode zur Charakterisierung magnetoelektrischer Verbindungen, bestehend aus einem magnetischen Pulsfeld und eine ladungssensitiven Verstärker, wurde ebenfalls entwickelt. Dieses Messverfahren ermöglicht eine direkte Messung, der durch das Pulsfeld entstehenden elektrischen Ladung. Im Vergleich zur weit verbreiteten dynamischen Methode können hier Frequenzabhängigkeiten und Entladungsphänomene, die das Messergebnis beeinflussen, vermieden werden.

The strong coupling of electric polarization and magnetization in magnetoelectric materials has attracted tremendous interest of researchers over the last 20 years. The unobstructed combination of ferroelectric and magnetostrictive materials in composites allows magnetoelectric behavior even at room temperature. In this work we present different sol-gel routines for bulk composites of magnetostrictive CoFe2O4 and piezoelectric BaTiO3 as well as CoFe2O4 and Pb(ZrTi)O3. We investigate the influence of chemical synthesis and production parameters such as stoichiometry, sintering and pressing conditions on the magnetoelectric coefficient. This offers new insights into the correlation of microstructure and magnetoelectricity. We found the sol-gel process most convincing through homogeneous microstructure, high density and efficient particle dispersion compared to conventional ceramic methods and mechanical mixing. A composition of 55% Cobalt Ferrite and 45% PZT, sintered at 1000°C for 2 hours, provided the maximum magnetoelectric response with 2.97 mV/(cm*Oe). Furthermore we present a novel measurement setup for composite characterization, combining a magnetic pulse field and a charge amplifier. This new method offers a direct approach of magnetoelectric measurement through processing electric charges caused by a magnetic pulse. Compared to the state-of-the art dynamic method, frequency dependencies and discharging processes do not occur and hence this new measurement setup will open new avenues for characterization of bulk ME materials.