Magnetische Nanostrukturen

Im Allgemeinen ist ein ferromagnetisches Metall in Bereiche unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung, sogenannte Domänen, aufgeteilt. Gelangt man in den Nanobereich, herrscht nur noch eine kohärente Spinstruktur vor. Solch kleinste magnetische Teilchen sind von grundlegendem physikalischen Interesse für zahlreiche Anwendungen.

Ein ferromagnetisches Metall zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Eigendrehimpulse der Elektronen, die Spins, alle in eine Richtung stellen. Das führt zur Ausbildung eines makroskopisch messbaren magnetischen Feldes außerhalb des Magneten. Im Allgemeinen ist ein ferromagnetisches Metall in Bereiche unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung, sogenannte Domänen, aufgeteilt. Dadurch wird das außerhalb der Probe messbare Magnetfeld abgeschwächt. Werden die Abmessungen des Magneten selbst kleiner als die Breite der Domänenwand, in welcher der Übergang von einer Spinausrichtung zur anderen erfolgt, so kommt man in den Größenbereich, in dem der Magnet nur noch eine Domäne oder eine kohärente Spinstruktur aufweist. Im Extremfall kann ein solches System auch aus einem komplexen Molekül bestehen.

Solch kleinste magnetische Teilchen, die oft nur wenige Nanometer messen, sind hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften von grundlegendem physikalischen Interesse. Aber auch von der Anwendungsseite besteht ein gewaltiges Interesse an den Eigenschaften dieser Nanomagnete. Erwähnt seien hier die immer größeren Packungsdichten und die damit immer kleiner werdenden Strukturen auf magnetischen Speichermaterialien wie den Computerfestplatten eines PC oder den neuartigen nichtflüchtigen Datenspeichern, die auch nach Abschalten des Stroms die gespeicherten Daten nicht verlieren.

Es ist nicht einfach, die magnetischen Eigenschaften eines individuellen Nanomagneten zu messen, da konventionelle Methoden der Magnetometrie sehr viel mehr Material zur Untersuchung benötigen, als ein Nanomagnet enthält. Eine Möglichkeit besteht darin, Nanomagnete mit nanostrukturierten Halbleitern zu vereinen. So kann der Hall-Effekt benutzt werden, um das Umschalten eines Nanomagneten experimentell zu untersuchen. Um dabei ein messbares Signal zu erhalten, dürfen allerdings die Abmessungen des Kreuzungsbereich des Hall-Sensors nicht wesentlich größer sein, als die Abmessungen des Magneten selbst. Auf diese Weise kann das Streufeld des winzigen Magneten in Abhängigkeit eines äußeren Magnetfeldes vermessen werden. Man erhält eine Hysteresekurve, die das Umklappen der Magnetisierung des Teilchens von Nord nach Süd dokumentiert und das magnetische Material charakterisiert.

Mit solchen Anordnungen kann schließlich auch der Strom durch eine einzelne Halbleiternanostruktur kontrolliert werden – und zwar in Abhängigkeit vom Spin der Elektronen im Strom! Damit kann im Prinzip ein Transistor gebaut werden, dessen Funktion auf dem Spin der Elektronen als schaltbarer Größe beruht. Dies würde in Verbindung mit dem Einzelelektronentransistor die Verwirklichung des kleinstmöglichen Schalters in greifbare Nähe rücken, der auf dem Umklappen eines einzelnen Elektronenspins beruht.

Dreieckige Inseln aus Eisenatomen

Der eleganteste Weg, um Nanomagneten oder andere Nanostrukturen in großer Zahl zu erzeugen, besteht vermutlich darin, die natürliche Selbstorganisation beim Herstellungsprozess einzusetzen. Dazu nutzt man die Naturgesetze, die Materialeigenschaften und die durch die Herstellungsparameter gegebenen Freiheiten so geschickt aus, dass die Nanostrukturen mit den gewünschten Eigenschaften „von selbst“ entstehen.

Auf dem Bild, das mit einem Rastertunnelmikroskop aufgenommen wurde, ist eine weitgehend regelmäßige Anordnung von kleinen Dreiecken zu sehen, die aus geordneten Eisenatomen bestehen und eine Kantenlänge von nur drei Nanometer haben. Diese Eiseninseln haben sich in dieser Form selbständig auf einer Doppelschicht von Kupferatomen gebildet, die auf die dichtest gepackte (111)-Oberfläche eines Platinkristalls aufgedampft wurde.

Weshalb bilden sich solche Nanostrukturen? Im Falle der Eiseninseln geschieht Folgendes: Die Gitterstruktur der Kupferschicht passt nicht ganz zu der des Platins, was bei Heteroschichtsystemen meist der Fall ist. Die Bindung zwischen Platin- und Kupferatomen zwingt letztere jedoch dazu, zumindest in der ersten Schicht die Gitterstruktur des Platins zu übernehmen. Die erste Kupferschicht wächst also „verspannt“ auf. Diese Verspannung wird im vorliegenden Fall bereits in der zweiten Kupferschicht durch die Ausbildung von Versetzungen abgebaut. Versetzungen sind Störungen des normalen Gitteraufbaus und trennen in der Regel Gebiete mit idealer Gitterstruktur voneinander. Im vorliegenden Fall laufen sie als Linien durch die Kupferschicht und bilden aufgrund ihrer großen Beweglichkeit ein regelmäßiges dreieckiges Netzwerk aus. Die Dreiecksform ergibt sich dabei aus der speziellen Wahl der Substratoberfläche. Die Größe der Dreiecke wird durch die Bindungsverhältnisse und die Gitterabstände der beteiligten Materialien bestimmt. Beim Beispiel in Abb. 2 wurde nun eine zusätzliche Schicht aus Eisenatomen aufgedampft. Die Eisenatome bewegen sich auf der Kupferoberfläche umher, werden aber von den Versetzungslinien abgestoßen. Sie bilden deshalb Inseln innerhalb jedes Dreiecks des Versetzungsnetzwerks, wobei die Größe der ebenfalls dreieckigen Inseln durch die Menge der aufgedampften Eisenatome bestimmt ist.

Die in diesem Beispiel gezeigte Selbstorganisation könnte nun dazu verwendet werden, zum Beispiel ferromagnetische Strukturen mit atomaren Abmessungen (ein Nanometer entspricht drei bis vier Atomdurchmessern) herzustellen, wobei diese Strukturen über große Bereiche regelmäßig angeordnet und fast gleich groß sind. Ob sich hieraus konkrete Anwendungen entwickeln lassen, ist noch offen. Für grundlegende Fragen der Nanostrukturierung ist dieser Weg aber in jedem Fall eine hochinteressante Alternative.