Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nano-Magnete: Aus Unordnung wird Ordnung

23.11.2015

Miniaturisierung ist das Zauberwort für magnetische Bauelemente, die in neuartigen elektronischen Bauteilen zum Einsatz kommen sollen.

Forscher aus dem HZDR setzen für deren Herstellung auf Ionenstrahlen, also auf schnelle, elektrisch geladene Atome. Bereits ein besonders feiner Strahl aus rund zehn Neon-Ionen genügte nun, um viele hundert Atome einer Eisen-Aluminium-Legierung in Unordnung zu bringen und damit funktionelle Nano-Schichten direkt im Material zu erzeugen.


Magnetische Muster: Magnetische Flusslinien der per Ionenstrahl erzeugten Nano-Magnete.

TU Dresden/Falk Röder

Eine spezielle Holographie-Technik am Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) der TU Dresden macht die magnetischen Feldlinien sichtbar und zeigt damit die exakten Abmessungen dieser Nano-Magnete.

Der Physiker Dr. Rantej Bali interessiert sich besonders dafür, technologisch vielversprechende Materialien gezielt mit magnetischen Eigenschaften auszustatten: „Ein Ansatz, den wir dazu verfolgen, ist die Strukturierung mit Ionenstrahlen.“

Eine Legierung aus Eisen und Aluminium ist solch ein Material der Wahl. Unbehandelt ist es kein Magnet, es verhält sich vielmehr paramagnetisch, das heißt, dass sich die magnetischen Momente der Elektronen, die Spins, rein zufällig orientieren und entkoppelt sind.

Prinzipiell können Elektronenspins genau zwei Zustände einnehmen, weshalb sie für die Entwicklung neuartiger Sensoren oder Speichermedien eine große Rolle spielen. So nutzen Leseköpfe von Computerfestplatten oder MRAM-Speicher (Magnetoresistive Random-Access Memory) bereits neben der Ladung der Elektronen auch deren Spin aus, an weiteren Spinelektronik-Anwendungen wird weltweit intensiv geforscht.

Eine mögliche Geometrie für spinelektronische Elemente sind Nano-Streifen aus nicht-magnetischen und magnetischen Bereichen. Solche Streifen haben Bali und seine Kollegen vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR mit einem stark fokussierten Ionenstrahl nun erstmalig direkt in eine hauchdünne Schicht aus Eisen-Aluminium geschrieben.

„Wir können mit unserer Methode nun sehr schnell und unkompliziert beliebige magnetische Geometrien erzeugen“, erklärt Bali. Ein weiterer Vorteil: Die Nano-Magnete sind in einer elektrisch leitenden Schicht eingebettet, was die Entwicklung von Spinelektronik-Bauteilen erleichtert.

Wie aber funktioniert die selektive Magnetisierung per Ionenstrahl? Eisen ist ferromagnetisch, alle Elektronenspins zeigen also in dieselbe Richtung. In einer Eisen-Aluminium-Legierung haben viele Eisen-Atome jedoch Aluminium-Atome als Nachbarn, weshalb das Material paramagnetisch ist.

Der Ionen-Beschuss bringt die Ordnung gehörig durcheinander, sodass mehr Eisen-Atome nebeneinander liegen als zuvor. Das Ergebnis: Mehr benachbarte Eisen-Atome können miteinander in Wechselwirkung treten, die Spins der Elektronen richten sich gleich aus und der behandelte Bereich wird ferromagnetisch. Daher ist das Materialsystem ideal geeignet für die hochaufgelöste Strukturierung mit einem fokussierten Ionenstrahl.

Ein einziges Atom kann Kaskade auslösen

Theoretisch, vermutet Bali, wäre bereits ein Ion in der Lage, einen Nano-Magneten in der Eisen-Aluminium-Legierung (Fe60Al40) zu erzeugen. „Wie beim Billardspiel kann eine einzige Kugel eine Kaskade in Bewegung setzen“, erklärt er. „Wir haben berechnet, dass ein Ion bis zu 300 Atome deplatzieren kann.“ Für die aktuellen Experimente kam am HZDR das Ionenmikroskop der Firma Zeiss zum Einsatz, die zusammen mit den Forschern die Weiterentwicklung des Geräts betreibt.

„Nur sechs Neon-Atome werden in eine Fläche von einem Quadratnanometer implantiert“, so der für die Anlage zuständige Wissenschaftler Dr. Gregor Hlawacek. „Für unsere ferromagnetischen Streifen rastern wir mit einem Strahl von gerade einmal zwei Nanometern Durchmesser die Probe ab.“

Das Resultat sind magnetische Streifen mit einer Breite von 50 bis 300 Nanometern. Dazwischen liegen rund 40 Nanometer schmale paramagnetische Streifen. Genau solch eine Abfolge zwischen ferro- und paramagnetischen Streifen ist für die Spinelektronik interessant. „Das Ionenmikroskop bietet mit dem fokussierten Ionenstrahl eine extrem hohe laterale Auflösung. Das erlaubt uns die flexible Erzeugung von Prototypen magnetischer Bauteile“, betont Hlawacek.

Die Untersuchung der Nano-Magnete fand am Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) im Triebenberg-Labor der TU Dresden statt. Der TU-Physiker Dr. Falk Röder beherrscht dort die spezielle Methode der TEM-Holographie. Dabei wird ein Elektronenstrahl in zwei kohärente Teilstrahlen aufgespalten. Während einer der Strahlen auf die Probe trifft und dort vom magnetischen Feld beeinflusst wird, bleibt der zweite Strahl ungestört. Bei der anschließenden Überlagerung dieser Teilstrahlen werden Phasenverschiebungen messbar, die sonst im Verborgenen bleiben. „Damit können wir sehr direkt die magnetischen Flusslinien der Eisen- Aluminium-Legierung messen und im Detail sichtbar machen“, sagt Röder.

Das Forscherteam will die Methoden am HZDR und an der TU Dresden auch zukünftig gemeinsam nutzen, um Nano-Magnete in unterschiedlichen Formen herzustellen. Derzeit sorgt die Stoßkaskade dafür, dass der magnetische Streifen sich nach unten verbreitert. „Eine Optimierung der Dosis in weiteren Experimenten wird es erlauben, noch kleinere und besser definierte Magnete zu produzieren“, ist der HZDR-Forscher Hlawacek überzeugt.

„Für verschiedenartige spinelektronische Bauteile braucht man flexible magnetische Muster wie beispielsweise Kanäle für den Transport von Spin-Ladungen. Unser Ionenmikroskop bietet alle Freiheiten, mit sehr geringen Strömen von wenigen Ionen direkt und ohne störende Masken Nano-Magnete in Materialschichten zu schreiben.“ Sein Kollege Bali will aber auch den Einzel-Ion-Effekt experimentell untersuchen, um die zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge noch besser zu verstehen.

Die Forschungsarbeiten wurden teilweile von der EU im Programm ESTEEM2, dem europäischen Netzwerk für Elektronenmikroskopie, gefördert.

Publikation:
F. Röder, G. Hlawacek, S. Wintz, R. Hübner, L. Bischoff, H. Lichte, K. Potzger, J. Lindner, J. Fassbender, R. Bali: „Direct Depth- and Lateral-Imaging of Nanscale Magnets Generated by Ion Impact“, in Scientific Reports 5, Article number 16786 (2015), DOI: 10.1038/srep16786 (Link: www.nature.com/articles/srep16786)

Weitere Informationen:
Dr. :Rantej Bali
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel. +49 351 260-2919 | E-Mail: r.bali@hzdr.de

Dr. Falk Röder
Triebenberg-Labor, Institut für Strukturphysik, TU Dresden
Tel. +49 351 215 089 12 | E-Mail: falk.roeder@tu-dresden.de
Medienkontakte:
Christine Bohnet | Pressesprecherin & Leitung HZDR-Kommunikation
Tel. +49 351 260-2450 | E-Mail: c.bohnet@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden | www.hzdr.de

Kim-Astrid Magister | Pressesprecherin
Tel. +49 351 463-32398 | Fax +49 351 463-37165 | E-Mail Pressestelle@tu-dresden.de
Technische Universität Dresden | 01062 Dresden | www.tu-dresden.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte (Dresden, Leipzig, Freiberg, Grenoble) und beschäftigt rund 1.100 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/nanomagnets

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder aus
18.04.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

nachricht Neue Technik macht Mikro-3D-Drucker präziser
18.04.2018 | Technische Universität Kaiserslautern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Im Focus: Gamma-ray flashes from plasma filaments

Novel highly efficient and brilliant gamma-ray source: Based on model calculations, physicists of the Max PIanck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg propose a novel method for an efficient high-brilliance gamma-ray source. A giant collimated gamma-ray pulse is generated from the interaction of a dense ultra-relativistic electron beam with a thin solid conductor. Energetic gamma-rays are copiously produced as the electron beam splits into filaments while propagating across the conductor. The resulting gamma-ray energy and flux enable novel experiments in nuclear and fundamental physics.

The typical wavelength of light interacting with an object of the microcosm scales with the size of this object. For atoms, this ranges from visible light to...

Im Focus: Wie schwingt ein Molekül, wenn es berührt wird?

Physiker aus Regensburg, Kanazawa und Kalmar untersuchen Einfluss eines äußeren Kraftfeldes

Physiker der Universität Regensburg (Deutschland), der Kanazawa University (Japan) und der Linnaeus University in Kalmar (Schweden) haben den Einfluss eines...

Im Focus: Basler Forschern gelingt die Züchtung von Knorpel aus Stammzellen

Aus Stammzellen aus dem Knochenmark von Erwachsenen lassen sich stabile Gelenkknorpel herstellen. Diese Zellen können so gesteuert werden, dass sie molekulare Prozesse der embryonalen Entwicklung des Knorpelgewebes durchlaufen, wie Forschende des Departements Biomedizin von Universität und Universitätsspital Basel im Fachmagazin PNAS berichten.

Bestimmte mesenchymale Stamm-/Stromazellen aus dem Knochenmark von Erwachsenen gelten als äusserst viel versprechend für die Regeneration von Skelettgewebe....

Im Focus: Basel researchers succeed in cultivating cartilage from stem cells

Stable joint cartilage can be produced from adult stem cells originating from bone marrow. This is made possible by inducing specific molecular processes occurring during embryonic cartilage formation, as researchers from the University and University Hospital of Basel report in the scientific journal PNAS.

Certain mesenchymal stem/stromal cells from the bone marrow of adults are considered extremely promising for skeletal tissue regeneration. These adult stem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Mai zum 7. Mal an der Hochschule Stralsund

12.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Aus dem Labor auf die Schiene: Forscher des HI-ERN planen Wasserstoffzüge mit LOHC-Technologie

19.04.2018 | Verkehr Logistik

Neuer Wirkmechanismus von Tumortherapeutikum entdeckt

19.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics