Magnetisches Rasterkraftmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Drei Projekte wurden bisher vorwiegend mit dem magnetischen Rasterkraftmikroskop bearbeitet: 1. Magnetische Dipolgitter mit frustrierten Wechselwirkungen Durch lithographische Nanostrukturierung von ferromagnetischen Schichten ist es möglich, magnetische Dipole zu erzeugen und diese lateral so anzuordnen, dass sie mit Hilfe der Streufelder (magnetische Dipolwechselwirkung) geordnete magnetische Strukturen bilden. Die magnetischen Dipole können aber auch so angeordnet werden, dass die Symmetrie von vornherein Frustration der Wechselwirkungen mit einschließt. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Dipole auf einem Gitter mit triangularer Symmetrie platziert werden, wie dies bei einem Honigwabengitter gegeben ist. Dann treffen sich jeweils drei Dipole in einem Vertex, die auf acht verschiedene Arten angeordnet werden können. Sofern zwei Dipole in einen Vertex hinein zeigen und einer raus, oder umgekehrt, dann ist die sogenannte Spin-Eis Regel für triangulare Gitter erfüllt. Diese bezieht sich auf die Eisregel von tetraedrisch koordiniertem Wassermolekülen in Eis, bei der zwei Wasserstoffatome nahe zum Sauerstoff zu liegen kommen und zwei weiter entfernt (zwei rein, zwei raus). Das triangulare Spineis ist hoch frustriert, sofern drei magnetische Dipole in einen Vertex hinein zeigen oder umgekehrt drei raus. Nichtsdestotrotz haben wir mit der magnetischen Kraftmikroskopie (MFM) genau diesen Zustand beim Koerzitivfeld, d.h. beim Umschalten der Dipolausrichtung in einem äußeren Magnetfeld, festgestellt. Die hoch frustrierte Anordnung bildet gleichzeitig einen hoch geordneten Zustand, im Fachjargon sprechen wir von magnetischer Ladungsordnung, die der elektrischen Ladungsordnung in einem Ionenkristall ähnelt. Die Arbeit wurde in zahlreichen Pressenotizen beschrieben. 2. Domänenstruktur in nanostrukturierten Heusler – Schichten Heusler - Legierungen sind wegen ihrer außergewöhnlichen ferromagnetischen Eigenschaften wissenschaftlich und technisch von sehr großem Interesse. Hohe Curie-Temperaturen, große spin-basierte magnetische Momente, weichmagnetisches Verhalten sowie sehr hohe Spinpolarisation zeichnen diese intermetallischen Legierungen aus und machen sie zu prominenten Kandidaten für spintronische Anwendungen. Allerdings sind diese an eine delikate L2 1 Überstruktur geknüpft. Wir haben jetzt festgestellt, dass trotz lithographischer Bearbeitung der Heusler – Schichten diese ihre magnetischen Eigenschaften beibehalten. Dies ermöglicht, magnetische Nanodrähte aus Heusler-Legierungen herzustellen und daran die Domänenstruktur sowie das Ummagnetisierungsverhalten zu analysieren. Bei diesen Untersuchungen haben wir festgestellt, dass die weichmagnetischen Heusler - Nanodrähte empfindlich auf uniaxiale Anisotropien reagieren, die durch das Substrat, hervorgerufen werden. Sind die Nanodrähte senkrecht zu der uniaxialen Anisotropie ausgerichtet, dann entsteht ein hoch symmetrisches magnetisches Domänenmuster, welches man mit der magnetischen Rasterkraftmikroskopie sichtbar machen kann. Diese Domänenstruktur hängt nicht von der Länge der Nanodrähte aber, jedoch von deren Breite. Der theoretische Zusammenhang zwischen Drahtbreite und Domänenbreite ist nicht trivial und kann nur unter Annahme einiger Vereinfachungen berechnet werden. Diese Berechnung wurde von Ch. Kittel 1946 veröffentlicht, konnte aber bisher nicht überprüft werden, da es an geeigneten Proben fehlte. Wir konnnten jetzt zum ersten Mal mit Hilfe von MFM – Aufnahmen an den Heusler – Nanodrähten und mit Unterstützung von mikromagnetischen Simulationen diese theoretischen Voraussagen überprüfen und verifizieren. 3. Magnetische Nanopartikel Derzeit besteht ein großes Interesse an der Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln, deren Anwendungen von der magnetischen Datenspeicherung bis zu biomedizinischen Kontrastverstärkung bei bildgebenden Verfahren reicht. Während die Eigenschaften isolierter magnetischer Nanopartikel inzwischen recht gut bekannt sind, ist dies bei Wechselwirkung von dichtest gepackten Nanopartikeln untereinander und mit dem Substraten noch nicht in gleichem Maße der Fall. Wir haben Eisenoxid Nanopartikel mit der Lackschleuder auf Si Substrate aufgebracht, die sich durch Selbstorganisation zu einer hexagonalen dichtest gepackten Struktur anordnen. Die strukturelle Anordnung wurde mit der atomaren Rasterkraftmikroskopie (AFM) abgebildet und die magnetische Struktur mit der magnetischen Rasterkraftmikroskopie (MFM). MFM – Aufnahmen an magnetischen Nanopartikeln sind nicht trivial, da auf der einen Seite die Auflösung des MFM notwendigerweise geringer ist als bei AFM – Aufnahmen, und auf der anderen Seite die magnetische Spitze des MFM die magnetische Ausrichtung der Nanopartikel nicht beeinflussen soll. Erste Aufnahmen AFM/MFM magnetischen Nanopartikeln mit Durchmessern von 20 nm sind veröffentlicht. Die AFM - Aufnahmen zeigen, dass unser Rasterkraftmikroskop eine sehr gute Auflösung hat. Die magnetische Domänenstruktur ist weniger deutlich und muss noch weiter überprüft werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Charge ordering of magnetic dipoles in artificial honeycomb patterns. Appl. Phys. Lett. 97, 022509 (2010)
A. Schumann, B. Sothmann, P. Szary, and H. Zabel
- Magnetic coupling mechanisms in particle/thin film composite systems. Beilstein Journal of Nanotechnology 1,101 (2010)
Giovanni A. Badini Confalonieri, Pilipp Szary, Durga Mishra, Maria J. Benitez, Mathias Feyen, An Hui Lu, Leonard Agudo, Gunther Eggeler, Oleg Petracic, and Hartmut Zabel
