Doktorsvörn í eðlisfræði - Einar Baldur Þorsteinsson

Doktorsefni: Einar Baldur Þorsteinsson

Heiti ritgerðar: Ræktun og greining á seglandi mangan MAX fösum: Leitin að járnseglun við stofuhita (Growth and characterization of Mn-based magnetic MAX phases: The quest for room temperature ferromagnetism)

Andmælendur:
Dr. Michael Farle, prófessor við Universität Duisburg-Essen, Þýskalandi
Dr. Hans Högberg, dósent við Linköping Universitet, Svíþjóð

Umsjónakennari: Dr. Einar Örn Sveinbjörnsson prófessor við Raunvísindadeild Háskóla Íslands

Leiðbeinandi: Dr. Friðrik Magnus rannsóknaprófessor við Raunvísindastofnun Háskólans

Einnig í doktorsnefnd: Dr. Unnar Bjarni Arnalds, prófessor við Raunvísindadeild Háskóla Íslands
Dr. Árni Sigurður Ingason, Framkvæmdastjóri Grein Research

Doktorsvörn stýrir: Dr. Birgir Hrafnkelsson, prófessor og deildarforseti Raunvísindadeildar HÍ 

Ágrip

MAX fasar eru fjöldskylda af atómlagskiptum efnum, með efnaformúluna Mn+1AXn, þar sem algengasta útgáfan er M2AX. Hefðbundin samsetning er með hliðarmálmi (M), frumefni úr A-hópi (A), og annað hvort kolefni eða nitri (X) og í M2AX fasa raða frumefnin sér í aðgreind atómlög í röðinni M-A-M-X-M-A-M-X. Á undarförnum árum hefur úrval frumefna sem geta verið í hverju sæti aukist samhliða því að nýjar efnasamsetningar hafa uppgötvast. Í þessari ritgerð verður MAX fasinn Mn2GaC notaður sem grunnur til að útvíkka í aðrar samsetningar með því að skipta út mangani (Mn) fyrir króm (Cr), járn (Fe) og skandín (Sc). Markmiðið er að rannsaka seguleiginleika þessara nýju MAX fasa. Seguleiginleikar einkristallaðra Mn2GaC húða á MgO(111) undirlagi eru rannsakaðir sérstaklega við lág hitastig. Við sjáum að seglun við 5 T svið breytist aðeins lítilega með hitastigi, gagnstætt við áður birtar vísindagreinar. Ástæðan fyrir þessum mismun er ófullnægandi frádráttur á ólínulega bakgrunninum frá MgO undirlögunum. Mælingar á segulmisáttun í tveimur Mn2GaC sýnum með mismunandi kristalstefnum sýna að (000l) kristalplönin eru auðseglandi. Skandín er svo notað til að breyta efnisuppröðuninni frá stöðluðum MAX fasa, yfir í svo kallaðan i-MAX fasa, sem hefur kagome atómuppröðun í plani sýnisins til viðbótar við lagskiptinguna. Þessi uppröðun myndast ef 1/3 af Mn er skipt út fyrir Sc, sem gefur efnajöfnuna (Mn2/3Sc1/3 )2GaC. Þessar húðir eru ræktaðar sem einkristallar á MgO(111), Al2O3 (0001) og SiC-4H(001) undirlög, þar sem SiC gefur bestu gæðin á kristalnum. Seguleiginleikar þessa fasa eru rannsakaðir og niðurstaðan er að hann er andjárnsegull. Með því að skipta út Mn fyrir Cr til að mynda (Mn1−xCrx)2GaC með x ≤ 0,29, þá fæst töluverð járnseglandi svörun við stofuhita, og Curie hitastig sem nær upp í 489 K. Sterkasta merkið fæst við x = 0,12, með 370 kA/m mettunarseglun, 176 kA/m segulleif, og afseglunarsvið upp á 16,8 mT við stofuhita. Þetta er í fyrsta skipti sem sterk járnseglandi svörun fæst við eða yfir stofuhita í MAX fasa, sem markar stór tímamót. (Mn1−xCrx)2GaC húðirnar voru ræktaðar bæði sem einkristallar á MgO(111) undirlög og fjölkristallar á Si/SiO2 undirlög, sem bæði skila svipuðum seguleiginleikum. Þetta opnar á frekari möguleika til hagnýtingar á seglandi MAX fösum. Rannsóknir á efnablöndunni (Mn1−xFex)2GaC, með 0,05 ≤ x ≤ 0,38, sýna að Fe virðist fara inn í MAX fasann samkvæmt röntgenmælingum. Aftur á móti kemur í ljós að jafnvel fyrir minnsta magnið x = 0,05, þá myndast antiperovskite fasinn (Mn1−xFex)3GaC. Með því að bæta við Cr og mynda (Mn1−x−yFexCry)2GaC, þá eykst stöðugleiki MAX fasans, sem gefur nánast fasahrein sýni með x = 0,11, y = 0,21 og einungis snefil af antiperovskite fasanum. Þetta sýni hafði sambærilega seguleiginleika á við sýni með Cr y = 0,29 og engu járni, en það var með aðeins lægra Curie hitastig.

Um doktorsefnið

Einar Baldur Þorsteinsson er fæddur árið 1988 í Reykjavík. Hann lauk stúdentsprófi af náttúrufræðibraut Verzlunarskóla Íslands 2008. Hann útskrifaðist með BS. í eðlisfræði frá Háskóla Íslands 2012, og síðar MS. gráðu í verkfræðilegri eðlisfræði, einnig frá Háskóla Íslands, árið 2018. Í framhaldi af því hóf hann doktorsnám. Meðfram náminu hefur hann unnið að ýmsum öðrum rannsóknarverkefnum, ásamt því að sinna stundakennslu við Háskóla Íslands.