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 Der schärfste Laserstrahl der Welt
29.06.2017 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Ultra-sensitiv dank quantenmechanischer Verschränkung
28.06.2017 | Universität Stuttgart

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: Der schärfste Laserstrahl der Welt

Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickelt einen Laser mit nur 10 mHz Linienbreite

So nah an den idealen Laser kam bisher noch keiner: In der Theorie hat ein Laser zwar genau eine einzige Farbe (Frequenz bzw. Wellenlänge). In Wirklichkeit...

Im Focus: Wellen schlagen

Computerwissenschaftler verwenden die Theorie von Wellenpaketen, um realistische und detaillierte Simulationen von Wasserwellen in Echtzeit zu erstellen. Ihre Ergebnisse werden auf der diesjährigen SIGGRAPH Konferenz vorgestellt.

Denkt man an einen See, einen Fluss oder an das Meer, so sieht man vor sich, wie sich das Wasser kräuselt, wie Wellen gegen die Felsen schlagen, wie Bugwellen...

Im Focus: Making Waves

Computer scientists use wave packet theory to develop realistic, detailed water wave simulations in real time. Their results will be presented at this year’s SIGGRAPH conference.

Think about the last time you were at a lake, river, or the ocean. Remember the ripples of the water, the waves crashing against the rocks, the wake following...

Im Focus: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der schärfste Laserstrahl der Welt

29.06.2017 | Physik Astronomie

Maßgeschneiderte Nanopartikel gegen Krebs gesucht

29.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wolken über der Wetterküche: Die Azoren im Fokus eines internationalen Forschungsteams

29.06.2017 | Geowissenschaften