Der Magnetismus ist, ebenso wie die Härte, die Farbe oder die elektrische Leitfähigkeit, eine wichtige physikalische Eigenschaft eines Materials. Weist ein Material eine magnetische Vorzugsrichtung auf, so kann es wie eine Kompassnadel zur Bestimmung des Erdmagnetfelds „magnetisiert“ werden. Jetzt ist es einem Physiker-Team im Forschungszentrum Rossendorf (FZR) in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) erstmalig gelungen, diese Richtung mit Hilfe der Ionenbestrahlung bei Weichmagneten gezielt und punktgenau zu verändern.
Materialien mit neuen magnetischen Eigenschaften sind für die verschiedensten Anwendungen von großem Interesse. Das am besten bekannte Beispiel ist dabei sicherlich die magnetische Datenspeichertechnologie, bei der es darauf ankommt, die immer größer werdenden Datenmengen auf immer kleineren Medien dauerhaft zu speichern. Hierfür setzt man heute vornehmlich ferromagnetische Materialien wie Kobalt ein. Damit Computer-Festplatten ebenso wie die Speichermedien für Digitalkameras oder Handys zukünftig noch mehr Daten abspeichern können, sind allerdings verstärkt neue Materialien beziehungsweise neue Technologien gefragt. Dazu müssen zunehmend Materialien künstlich hergestellt oder auf einer Mikrometer-Skala modifiziert werden, die so in der Natur nicht vorkommen.
Jürgen Fassbender ist Spezialist auf dem Gebiet der Nanofunktionsschichten. Im Forschungszentrum Rossendorf will er mithilfe von Ionenstrahlen – schnelle geladene Atome – superdünne Schichten mit neuen magnetischen Eigenschaften herzustellen. Ziel des Wissenschaftlers ist es, neuartige Materialien für die magnetische Sensorik (wie ABS und weitere Winkel- und Drehsensoren für Fahrzeuge), die magnetische Speichertechnologie (beispielsweise Computer-Festplatten) oder die Spintronik (Kombination der in der Mikroelektronik gängigen Silizium-Technologie mit neuen magnetischen Materialien) zu entwickeln.
Maßgeschneiderte Magnetisierungsachsen
Eine zukunftsträchtige Materialklasse sind die so genannten amorphen weichmagnetischen Schichten, wobei amorph bedeutet, dass die Atome nicht wie bei einem Kristall in einer gleichmäßigen Gitterstruktur angeordnet sind. Heute kommen diese Materialien bei magnetischen Sensoren und elektronischen Hochfrequenz-Bauteilen zum Einsatz.
Es handelt sich hierbei zumeist um Legierungen aus Kobalt und Eisen mit Zusätzen von Bor bzw. Silizium, um das ansonsten kristalline Material in einen amorphen Zustand, ähnlich einem Glas, zu überführen. Nur dann werden die geforderten weichmagnetischen Eigenschaften mit einer Magnetisierungsachse in einer Vorzugsrichtung erzielt. Dies ist bereits seit vielen Jahren bekannt. Für viele Anwendungen wären jedoch unterschiedliche Magnetisierungsachsen oder maßgeschneiderte Magnetisierungsachsen an verschiedenen, nur wenige Mikrometer auseinander liegenden Stellen einer einzigen Probe günstig.
Fassbender und sein Kollege Jeffrey McCord vom IFW konnten nun zeigen, dass eine solche rein magnetische Mikrostrukturierung mithilfe der Ionenbestrahlung unter gleichzeitiger Anlegung eines Magnetfelds erzielt werden kann. Das angelegte Magnetfeld richtet bei der Ionenbestrahlung die Vorzugsrichtung der Magnetisierung im bestrahlten Material neu aus.
Nano-Schicht mit unterschiedlichen magnetischen Vorzugsrichtungen
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Damit das nicht auf der ganzen Probe geschieht, wird vor der Bestrahlung eine dünne Maske auf die Probe aufgebracht, die mikrometerkleine Löcher enthält. Nur an diesen Stellen durchdringen die Ionen die magnetische Schicht und können dort die magnetischen Eigenschaften beeinflussen. Schematisch ist diese Vorgehensweise in (a) demonstriert.
Das Ergebnis ist eine weichmagnetische dünne Schicht, die dauerhaft unterschiedliche magnetische Vorzugsrichtungen aufweist. Dies ist am Beispiel von 20 Mikrometer großen, bestrahlten Kreisen mit horizontaler Vorzugsrichtung in einer unbestrahlten Umgebung mit vertikaler Vorzugsrichtung (b) gezeigt. Die mikroskopische Aufnahme zeigt die Verteilung der Magnetisierungsrichtungen (c, d), die in den entsprechenden Bereichen bevorzugt horizontal bzw. vertikal ausgerichtet sind.
Damit ist es erstmalig bei derartigen Weichmagneten gelungen, den magnetischen Materialparameter der Vorzugsrichtung auf einer Mikrometer-Längenskala gezielt und maßgeschneidert zu verändern. In Zukunft sollen die Grenzen der Miniaturisierung dieser Technik und gleichzeitig konkrete Einsatzmöglichkeiten in der Sensortechnologie der Zukunft ausgelotet werden.
(idw – Forschungszentrum Rossendorf, 18.05.2005 – DLO)
