Magnetismus von dünnen Schichten und Nanostrukturen

Magnetische Materialien

Fortschrittliche magnetische Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften bestehen aus Nanostrukturen, die auf atomarem Maßstab gezielt aus ferromagnetischen, antiferromagnetischen und nichtmagnetischen Bestandteilen aufgebaut sind. Die Entwicklung dieser Materialien wird getrieben durch die zahlreichen Anwendungen in der modernen Informationstechnologie und der Forderung nach immer kleineren magnetischen Elementen zur Speicherung oder Verarbeitung von Information. Bezüglich der Grundlagenforschung verursacht der für Nanostrukturen charakteristische große Anteil von Ober- und Grenzflächen neue und faszinierende Phänomene im Magnetismus, die eine Herausforderung für unser grundlegendes Verständnis darstellen. Experimente mit polarisierten Neutronen gestatten uns einzigartige Einblicke in solche Nanostrukturen und tragen entscheidend zum besseren Verständnis des Magnetismus auf der Nanometerskala bei (s. Abb. 1).

Magnetische Dünnschichtsysteme

Abb. 1: Neutronenstreuung an einem polykristallinen magnetischen Vielschichtsystem.

Bildbeschreibung:
Neutronenstreuung unter streifendem Einfall an einem polykristallinen magnetischen Vielschichtsystem. Gezeigt ist die Streuung in allen vier Polarisationskanälen als Funktion von Einfalls- (0_i) und Ausfallswinkel (0_f). Die Intensität auf den Diagonalen gibt Information über die mittlere Magnetisierung der Schichten, während die diffuse Streuung neben den Diagonalen Information über Domänenstrukturen liefert. In jedem Teilbild sind experimentelle Daten (links oberhalb der Diagonalen) mit der Theorie (rechts unterhalb der Diagonalen) verglichen.

In den Neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden an magnetischen Vielfachschichten einige Phänomene entdeckt, die innerhalb weniger Jahre die Informationstechnologie revolutionierten und die Grundlage legten für das neue Gebiet der "Spintronik". Dazu gehören die Kopplung ferromagnetischer Lagen durch nichtmagnetische Zwischenschichten ("Zwischenschichtkopplung"), die starke Änderung des elektrischen Widerstands im externen Magnetfeld ("Riesenmagnetowiderstandseffekt") und die gegenseitige magnetische Beeinflussung benachbarter Schichten ("Proximity Effekte"). Als aktuelles Beispiel sei der so genannte "Exchange Bias Effekt" vorgestellt. Es handelt sich dabei um eine Anisotropie, die genau eine Richtung auszeichnet und die in einer ferromagnetischen Schicht durch quantenmechanische Austauschkopplung an eine antiferromagnetische Schicht induziert wird. Dadurch kommt eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung zustande, die viele Anwendungen von Dünnschichtsystemen in der Sensorik erst ermöglicht hat. Solche Sensoren bestehen aus mehreren Lagen verschiedener magnetischer Materialien. Leistungsfähige Untersuchungsmethoden sollten es gestatten, die magnetischen Eigenschaften tiefenaufgelöst bestimmen zu können. Die Streuung polarisierter Neutronen unter streifendem Einfall hat einen entscheidenden Vorteil vor vielen anderen Methoden: sie erlaubt es, sowohl den Wert als auch die Richtung der mittleren Magnetisierung aller Schichten eines solchen Stapels einzeln zu bestimmen und darüber hinaus lokale Abweichungen von dem Mittelwert tiefenaufgelöst zu beobachten. Damit kann etwa ein Ummagnetisierungsprozess beim Richtungswechsel des äußeren Felds im Detail verfolgt werden. Bei den "Exchange Bias"-Systemen wird in einigen Fällen Domänenbildung und Domänenwachstum beobachtet, in anderen Fällen eine kohärente Drehung der Gesamtmagnetisierung. Mit Hilfe von systematischen Neutronenreflektometrie-Untersuchungen konnte ein detailliertes Verständnis erzielt werden, das es gestattet, Vorhersagen über den Ummagnetisierungsprozess zu machen, um damit Schaltzeiten und Reproduzierbarkeit zu verbessern.

Lateral strukturierte Schichtsysteme und Nanostrukturen

Abb. 2: Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen an Ferrofluiden aus Co-Nanoteilchen.

Bildbeschreibung:

Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen an Ferrofluiden aus Co-Nanoteilchen (oben: Polarisation parallel und antiparallel zum horizontalen Magnetfeld; unten: Intensitätsverteilung im unpolarisierten Strahl und Interferenzterm aus Kern- und magnetischer Streuung). Die scharfen Reflexe belegen eine hexagonale Nahordnung der Co-Teilchen. Das Bild stammt aus A. Wiedenmann, A. Hoell, M. Kammel, P. Boesecke: Field-induced pseudo-crystalline ordering in concentrated Ferrofluids, Phys Rev. E 68 (2003) 031203, 1-10

Während magnetische Dünnschichtsysteme nur entlang einer Richtung nanostrukturiert sind, können durch lithographische Verfahren oder durch Selbstorganisation
zwei- und dreidimensionale reguläre Anordnungen von magnetischen Nanopartikeln erzeugt werden. Diese Systeme finden Anwendung in der magnetischen Datenspeicherung und lassen neue Effekte aufgrund zusätzlicher Quantisierungsbedingungen erwarten. Bisher existieren keine wirklich leistungsfähigen Messmethoden, um so wichtige Informationen wie die Verteilung der Magnetisierung innerhalb der einzelnen Nanopartikel oder die magnetischen Korrelationen zwischen den Partikeln experimentell zugänglich zu machen. Das Potential der Neutronenstreuung konnte durch Kleinwinkelstreuung an Ferrofluiden magnetischer Nanopartikel bereits eindrucksvoll aufgezeigt werden (s. Abb. 2). Zurzeit wird an verschiedenen Stellen eine neue Technik, die Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen unter streifendem Einfall, entwickelt. Es zeichnet sich ab, dass mit dieser Methode ein Durchbruch bei der experimentellen Untersuchung von geordneten zweidimensionalen Nanostrukturen auf der Subnanometerskala erzielt werden wird (s. Abb. 1).