21.10.2020 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

Wissenschaftler schaffen dreidimensionale Nanostrukturen mit Ionenstrahlen

Für die Computer von morgen

Effekte an Grenzflächen zwischen magnetischen und nicht-magnetischen Schichten werden bereits seit drei Jahrzehnten für die Datenspeicherung ausgenutzt, was zu einer stetigen Steigerung der Speicherkapazitäten von Festplatten geführt hat. Auch deshalb sehen Forscher in ihnen das Potential, die Datenverarbeitung in eine neue Ära zu führen. Herstellen lassen sich diese Grenzflächen zum Beispiel mit Ionenstrahlen. Welche Prozesse dabei genau ablaufen, haben Wissenschaftler um Dr. Alina Maria Deac vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) jetzt ans Licht gebracht. Ihre Ergebnisse, die die Forscher in der Zeitschrift Applied Materials and Interfaces veröffentlicht haben, könnten die Entwicklung leistungsfähiger neuromorpher Computer voranbringen.

Spintronik gilt als vielversprechendes Forschungsfeld für kleinere, leistungsfähigere und sparsamere Hardware. Während bei der üblichen Halbleiterelektronik die elektrische Ladung im Mittelpunkt steht, kommt bei der Spintronik dem magnetischen Moment der Elektronen die entscheidende Bedeutung zu. Dass sich solche Nanostrukturen, die aus magnetischen und nicht-magnetischen Schichten bestehen, mit Ionenstrahlen erzeugen lassen, war bereits seit einigen Jahren bekannt.

Dabei wird zum Beispiel nicht-magnetisches Kobaltoxid mit Ionen beschossen, wodurch es sich in ferromagnetisches Kobalt umwandelt. Auf diese Weise lassen sich mehrlagige Schichten erzeugen, bei denen sich magnetische und nicht-magnetische Lagen abwechseln. An den Grenzflächen zwischen den nur wenige Nanometer starken Lagen treten verschiedene Effekte auf, die für die magnetische Datenspeicherung und -übertragung essentiell sind und sie noch deutlich verbessern könnten.

Nicht chemisch gebunden, sondern physikalisch entfernt

„Was genau passiert, wenn ein Ionenstrahl nichtmagnetisches Oxid in magnetisches Metall umwandelt, hat eine südkoreanische Forschungsgruppe bereits 2012 untersucht“, erzählt Deac. Damals setzten die Wissenschaftler Protonenstrahlen ein – also Kerne des gewöhnlichen Wasserstoffs. Diese, so die bisherige Annahme, würden mit dem Sauerstoff im Kobaltoxid auf chemischem Wege reagieren. Übrig blieben das magnetische Kobalt und Wasser.

„Dieser Erklärung wollten wir nicht folgen“, sagt Deac. „Denn niemand konnte bisher das Wasser im Material nachweisen, was bei einem elektronischen Bauelement dort auch völlig fehl am Platze wäre.“ Wenn kein Wasser aufzuspüren war, so die Überlegung der Forscher, müsste es entweder auf unbekannte Weise aus dem Material verschwinden, oder ein anderer Effekt wäre für die Umwandlung von Kobaltoxid in Kobalt verantwortlich.

Deac und ihr Team führten daraufhin ihre eigenen Versuche mit verschiedenen Teilchenstrahlen durch und konnten zeigen, dass es zu keiner chemischen Reaktion kommt. „Die Sauerstoffatome reagieren nicht auf chemischem Wege. Sie werden von den energiereichen Teilchen einfach mechanisch aus dem Weg gestoßen“, erklärt die Wissenschaftlerin. Für die Versuche verwendete das Team verschiedene Masken, um Teile des Ausgangsmaterials abzudecken. Dabei konnten die Forscher zeigen, dass der Effekt nur an den Stellen auftritt, an denen der Strahl das Kobaltoxid direkt traf. „Die Sauerstoffatome werden also entweder in die benachbarten, nicht bestrahlten Bereiche der gleichen Schicht oder in die darunterliegenden Schichten transportiert“, fasst Deac zusammen.

Auf dem Weg zu ganz neuer Hardware

Das Verständnis dieser Vorgänge ist wichtig, um in Zukunft Nanostrukturen für Bauteile mit Ionenstrahlen zu fertigen. Während solche Strukturen bisher üblicherweise zweidimensional sind, haben Deac und ihre Arbeitsgruppe die Fertigungsprozesse nun um eine dritte Dimension erweitert, indem sie die mehrlagigen Schichten aus Kobaltoxid und Platin nur an ausgewählten Stellen mit Ionen bestrahlt haben. „Dadurch bilden sich zwei unterschiedliche Arten von Grenzflächen“, beschreibt Deac das Ergebnis. „Zum einen horizontale zwischen Kobalt und Platin, die die Magnetisierung des Kobalts in eine bevorzugte Richtung zwingen, und zum anderen vertikale zwischen Kobaltoxid und Kobalt, an denen das magnetische Moment blockiert wird.“

Diese dreidimensionalen Strukturen eröffnen große Potentiale für eine weitere Miniaturisierung. Denn extrem kleine, sparsame und leistungsfähige Bauelemente herzustellen, ist die Grundvoraussetzung für eine ganz neue Computergeneration. Die Dresdner Forscher denken dabei vor allem an neuromorphe Hardware. Diese neue Art von Computern steht noch ganz am Anfang ihrer Entwicklung. Sie sind dem menschlichen Gehirn nachempfunden und vereinen hochgradig vernetzte parallele synthetische Neuronen und Synapsen auf den Chips. Damit übertreffen sie heutige Computer nicht nur in puncto Rechenleistung, sondern sind auch wesentlich kleiner und energiesparender. Das macht sie zur idealen Hardware für Anwendungen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz, wie zum Beispiel dem Einsatz in autonomen Fahrzeugen.

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