Fysiker Dr. Gregor Hlawacek koordinerer eksperimenterne ved helium-ion-mikroskopet i Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Kredit:HZDR/A. Wirsig
I samarbejde med kolleger fra Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) og University of Glasgow, fysikere fra det tyske forskningscenter Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) arbejder på at producere konstruerede magnetiske nanostrukturer og på at skræddersy materialeegenskaber på nanoskala. Forskerne bruger et specielt mikroskop på HZDR Ion Beam Center for at nå dette mål. Dette mikroskops ultratynde ionstråle er i stand til at producere stabile, periodisk arrangerede nanomagneter i et prøvemateriale. Enheden kan også bruges til at optimere de magnetiske egenskaber af kulstofnanorør. Forskerne rapporterer nu deres resultater i to artikler, der er blevet publiceret i Lille .
"Den magnetiske tuning af materialer i nanometerområdet giver et stort potentiale for produktion af avancerede elektroniske komponenter. Vi forfølger forskellige tilgange med hensyn til vores magnetiske nanostrukturer, som alle involverer brugen af ionstråler, " udtalte HZDR-forskere Dr. Rantej Bali, Dr. Kilian Lenz og Dr. Gregor Hlawacek. Hvis, for eksempel, en ionstråle er rettet mod en ikke-ferromagnetisk jern-aluminiumlegering, det kan fortrænge nogle få hundrede atomer. Atomerne i legeringen omarrangeres derefter, hvorved antallet af tilstødende magnetiske jernatomer øges. Som et resultat dannes en magnet i nærheden af bombardementstedet. Denne tilgang gjorde det muligt for forskerne at gravere nanomagneter lokalt i tynde film af et materiale, der oprindeligt var ikke-ferromagnetisk.
Lidelse inducerer inkorporering af nanomagneter
I deres seneste arbejde, HZDR-forskerne viser, at den ion-stråle-inducerede lidelse også øger volumen af den underliggende gitterstruktur, om end ikke jævnt i alle rumlige retninger. Gitterforvrængningen påvirker også den magnetiske adfærd. For eksempel, i en aflang magnetstribe, magnetiseringen forventes at flugte langs den lange akse - som det typisk er tilfældet i en konventionel stangmagnet. På grund af gitterforvrængningen i de indlejrede nanomagneter, tværgående magnetiseringskomponenter observeres også. Nettoeffekten er, at de magnetiske momenter har en tendens til at "bøje" væk fra magnetens længde på en periodisk måde. Disse stabile, periodiske magnetiske domæner kan også dannes pålideligt i buede magneter, og kan finde anvendelser i miniaturiserede magnetiske sensorer, for eksempel.
I HZDR helium-ion mikroskop, fysikerne brugte ædelgasser til at producere ekstremt tynde – og derfor meget præcise – ionstråler. "Diameteren af vores ionstråle er kun et par atomer bred, " forklarede Gregor Hlawacek, som koordinerer forsøgene ved helium-ion-mikroskopet. "Afhængig af hvilken ædelgas der bruges, vi kan derefter ændre egenskaberne af det bestrålede materiale eller ændre dets morfologi ved at fjerne atomer." På trods af dets navn, helium-ion-mikroskopet er ikke kun begrænset til brugen af helium. I deres seneste eksperimenter, forskerne brugte neon, som er tungere end helium, og har derfor en stærkere indflydelse på det materiale, der skal modificeres. Samarbejdet med University of Glasgow gjorde det også muligt for HZDR-forskerne at bruge transmissions-elektronmikroskopet, der var placeret ved dets lærestol for materiale- og kondenseret stoffysik.
Rantej Balis eksperimenter involverede at bruge en neon-ionstråle som en magnetisk skrivepen:"Ionstrålen gør det muligt at producere magnetiske nanostrukturer i enhver form eller form, som er indlejret i materialet og udelukkende defineret af deres magnetiske og krystallografiske egenskaber, " sagde Bali, opsummerer resultaterne af hans tidligere forskning, udført på HZDR inden for et DFG-projekt.
Brug af neonioner til at trimme materialer
Kilian Lenz, på den anden side, bruger metoden til fokuseret ionstrålemanipulation til at optimere ønskelige materialeegenskaber ved at ændre geometrien af selve nanostrukturen. Den anvendte neon-ionstråle har en diameter på kun to nanometer. På bombardementstedet, ujævnheder i materialet, eller blot materialekanter, fjernes i samme dimension. "Vi undersøger dette ved hjælp af kulstof nanorør indeholdende en næsten cylindrisk magnetisk jernkerne. Strukturen og geometrien af disse nanorør kan optimeres ved at trimme i helium-ion mikroskopet, " sagde Lenz, beskriver processen.
En mikromanipulator bruges til at adskille et enkelt rør - med en diameter på 70 nanometer og en længde på 10 mikrometer - og til at placere det i en mikroresonator til måling. "Det er en ekstremt kompliceret proces, som holdet fra Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden har udviklet for os, " forklarede Lenz. Den unikke kombination af snit ved hjælp af den fokuserede ionstråle og målinger af den ferromagnetiske resonans af jernkernen gør det muligt for forskerne, ledet af Lenz, at kaste lys over en næsten perfekt magnetisk struktur for at afsløre egenskaberne af jernkernen i nanorøret.
Sådanne metoder til målrettet manipulation af nanomagnetiske materialeegenskaber ved hjælp af fokuserede ionstråler vil fortsat blive udforsket på HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research i fremtiden. Forskerne mener, at deres metode og de tunede materialer, den producerer, har potentialet til at opnå fremskridt inden for spintroniske applikationer og i fremstillingen af innovative sensorenheder eller lagringsmedier.