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Magnetisches Tuning auf der Nanoskala

Manipulation von Materialeigenschaften mittels Helium-Ionen-Mikroskop

12.11.2019

HZDR / Sahneweiß / Freepik

Der Ionenstrahl aus dem Helium-Ionen-Mikroskop des HZDR fungiert wie ein magnetischer Stift. Hier erzeugt er nanomagnetische Strukturen in Form einer Spirale.

Magnetische Nanostrukturen maßgeschneidert herzustellen und nanomagnetische Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen, daran arbeiten Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und der Universität Glasgow. Zum Einsatz kommt ein spezielles Mikroskop am Ionenstrahlzentrum des HZDR, dessen hauchdünner Strahl aus schnellen geladenen Atomen (Ionen) periodisch angeordnete und stabile Nanomagnete in einem Probenmaterial erzeugen kann. Es dient aber auch dazu, die magnetischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu optimieren.

„Materialien im Nanometerbereich magnetisch zu tunen birgt ein großes Potenzial für die Herstellung modernster elektronischer Bauteile. Für unsere magnetischen Nanostrukturen verfolgen wir verschiedenste Ansätze, setzen dabei aber immer Ionenstrahlen ein“, so die HZDR-Wissenschaftler Dr. Rantej Bali, Dr. Kilian Lenz und Dr. Gregor Hlawacek. Richtet man etwa einen Ionenstrahl auf eine nicht-ferromagnetische Eisen-Aluminium-Legierung, dann versetzt dieser wenige hundert Atome in Unordnung. Bei der anschließenden Neuausrichtung der Atome in der Legierung erhöht sich die Zahl benachbarter magnetischer Eisen-Atome in unmittelbarer Nähe des Aufprallorts des Ionenstrahls stark – so stark, dass sich Ferromagnetismus im Material ausbilden kann. Auf diese Weise gelang es beispielsweise, in eine dünne Schicht eines ursprünglich nicht-ferromagnetischen Materials Nanomagnete in Punktform einzugravieren.

Unordnung führt zu eingebauten Nanomagneten

In ihren aktuellen Arbeiten haben die Wissenschaftler des HZDR nun gezeigt, dass die durch einen Ionenstrahl ausgelöste Unordnung auch das Volumen der zugrundeliegenden Gitterstruktur vergrößert; allerdings nicht gleichmäßig in alle Richtungen des Raums. Zur erwarteten Magnetisierung in Längsrichtung – die man sich ähnlich wie bei einem herkömmlichen Stabmagneten vorstellen kann –, kommen Anteile einer Quermagnetisierung hinzu, die von den beobachteten Gitterstörungen hervorgerufen werden. Durch die Überlagerung beider Effekte verdrehen beziehungsweise verkrümmen sich die durch den Ionenstrahl erzeugten magnetischen Areale. Diese stabilen, periodisch auftretenden magnetischen Domänen lassen sich zu flexiblen gekrümmten Formen anordnen, die zum Beispiel in miniaturisierten Magnetsensoren zur Anwendung kommen könnten.

Im Helium-Ionen-Mikroskop des HZDR nutzen die Physiker Edelgase, um extrem dünne und damit sehr präzise Ionenstrahlen zu erzeugen. „Unser Ionenstrahl ist im Durchmesser nur einige wenige Atome breit,“ erklärt Gregor Hlawacek, der die Experimente am Helium-Ionen-Mikroskop koordiniert. „Je nach verwendetem Edelgas können wir so die Eigenschaften des bestrahlten Materials modifizieren oder seine Morphologie durch den Abtrag von Atomen verändern“. Das Arbeiten am Helium-Ionen-Mikroskop ist dabei nicht auf das namensgebende Helium beschränkt. Bei den aktuellen Experimenten kam Neon zum Einsatz, das schwerer als Helium ist und deshalb eine stärkere Stoßwirkung auf das zu modifizierende Material ausübt. Die HZDR-Forscher konnten zudem im Rahmen einer Kooperation mit der Universität Glasgow auf das Transmissions-Elektronenmikroskop des dortigen Lehrstuhls für Material- und Festkörperphysik zurückgreifen.

In den Experimenten von Rantej Bali dient der aus Neon-Ionen erzeugte Ionenstrahl als Punktquelle hoher Energie: „Der Ionenstrahl ermöglicht die Herstellung von magnetischen Nanostrukturen beliebiger Form, die in das Material eingebettet und allein durch ihre magnetischen und kristallografischen Eigenschaften definiert sind“, fasst Bali die Ergebnisse seiner bisherigen Forschung zusammen, die er im Rahmen eines DFG-Projekts am HZDR betreibt.

Materialzuschnitt mit Neon-Ionen

Kilian Lenz wiederum nutzt das Verfahren der fokussierten Ionenstrahl-Manipulation, um gewünschte Materialeigenschaften über Geometrieänderungen der Nanostruktur zu optimieren. Dabei hat der Neon-Ionenstrahl einen Durchmesser von gerade einmal zwei Nanometern. Dort, wo er auftrifft, werden Materialunebenheiten oder einfach nur Materialränder in gleicher Größenordnung abgetragen. „Wir untersuchen das anhand von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die über einen nahezu zylindrischen magnetischen Eisenkern verfügen und deren Struktur und Geometrie im Helium-Ionen-Mikroskop per Zuschnitt optimiert werden,“ beschreibt Lenz den Prozess.

Mithilfe eines Mikro-Manipulators wird jeweils nur ein einzelnes dieser Röhrchen mit 70 Nanometern im Durchmesser und einer Länge von 10 Mikrometern separiert und innerhalb eines Mikroresonators für die Messungen platziert. „Es ist ein extrem aufwendiges Verfahren, das ein Team des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden für uns entwickelt hat“, erläutert Lenz. Durch die einzigartige Kombination von Schnitten mit dem fokussierten Ionenstrahl und Messungen der ferromagnetischen Resonanz des Eisenkerns können die Forscher um Lenz magnetische Strukturen und Eigenschaften des Eisenkerns im Nanoröhrchen aufklären und perfektionieren.

Solche Verfahren der gezielten Beeinflussung nanomagnetischer Materialeigenschaften mit Hilfe feinster Ionenstrahlen werden am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR auch künftig erforscht. Die Wissenschaftler sehen in ihrer Methodik und den dabei entstehenden maßgeschneiderten Materialien das Potenzial für Fortschritte bei Spintronik-Anwendungen und in der Fertigung von neuartigen Sensoren oder Speichermedien.

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