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 Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie