In samenwerking met collega's van het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) en de University of Glasgow, natuurkundigen van het Duitse onderzoekscentrum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) werken aan de productie van gemanipuleerde magnetische nanostructuren en aan het aanpassen van materiaaleigenschappen op nanoschaal. De wetenschappers gebruiken een speciale microscoop in het HZDR Ion Beam Center om dit doel te bereiken. De ultradunne ionenstraal van deze microscoop kan stabiele, periodiek gerangschikte nanomagneten in een monstermateriaal. Het apparaat kan ook worden gebruikt om de magnetische eigenschappen van koolstofnanobuisjes te optimaliseren. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen nu in twee artikelen die zijn gepubliceerd in Klein .

"De magnetische afstemming van materialen in het nanometerbereik biedt een groot potentieel voor de productie van geavanceerde elektronische componenten. We volgen verschillende benaderingen met betrekking tot onze magnetische nanostructuren, die allemaal het gebruik van ionenstralen omvatten, ", aldus HZDR-onderzoekers Dr. Rantej Bali, Dr. Kilian Lenz en Dr. Gregor Hlawacek. Indien, bijvoorbeeld, een ionenstraal wordt gericht op een niet-ferromagnetische ijzer-aluminiumlegering, het kan een paar honderd atomen verplaatsen. De atomen in de legering herschikken dan, waardoor het aantal aangrenzende magnetische ijzeratomen toeneemt. Hierdoor wordt een magneet gevormd in de buurt van de bombardementslocatie. Deze aanpak stelde de onderzoekers in staat om nanomagneten lokaal te graveren in dunne films van een materiaal dat oorspronkelijk niet-ferromagnetisch was.

Stoornis induceert de opname van nanomagneten

In hun laatste werk, de HZDR-wetenschappers tonen aan dat de ionenbundel-geïnduceerde aandoening ook het volume van de onderliggende roosterstructuur verhoogt, zij het niet gelijkmatig in alle ruimtelijke richtingen. De roostervervorming heeft ook invloed op het magnetische gedrag. Bijvoorbeeld, in een langwerpige magneetstrip, de magnetisatie zal naar verwachting langs de lange as worden uitgelijnd - zoals typisch het geval is bij een conventionele staafmagneet. Vanwege de roostervervorming in de ingebedde nanomagneten echter, transversale magnetisatiecomponenten worden ook waargenomen. Het netto-effect is dat de magnetische momenten de neiging hebben om periodiek van de lengte van de magneet weg te "buigen". Deze stabiele, periodieke magnetische domeinen kunnen ook betrouwbaar worden gevormd in gebogen magneten, en kunnen toepassingen vinden in geminiaturiseerde magnetische sensoren, bijvoorbeeld.

In de HZDR helium-ionmicroscoop, de natuurkundigen gebruikten edelgassen om extreem dunne - en dus zeer nauwkeurige - ionenbundels te produceren. "De diameter van onze ionenbundel is slechts een paar atomen breed, " legde Gregor Hlawacek uit, die de experimenten bij de helium-ionenmicroscoop coördineert. "Afhankelijk van welk edelgas wordt gebruikt, we kunnen dan de eigenschappen van het bestraalde materiaal wijzigen of de morfologie ervan veranderen door atomen te verwijderen." Ondanks zijn naam, de helium-ionenmicroscoop beperkt zich niet alleen tot het gebruik van helium. In hun laatste experimenten, de onderzoekers gebruikten neon, dat zwaarder is dan helium, en heeft daardoor een sterkere impact op het te bewerken materiaal. Samenwerking met de Universiteit van Glasgow stelde de HZDR-wetenschappers ook in staat om de transmissie-elektronenmicroscoop te gebruiken die zich bevindt op de leerstoel voor materiaal- en gecondenseerde materiefysica.

Rantej Bali's experimenten omvatten het gebruik van een neon-ionenstraal als magnetische schrijfstift:"Met de ionenstraal kunnen magnetische nanostructuren in elke vorm worden geproduceerd, die zijn ingebed in het materiaal en uitsluitend worden gedefinieerd door hun magnetische en kristallografische eigenschappen, " verklaarde Bali, de resultaten van zijn eerdere onderzoek samenvattend, uitgevoerd bij de HZDR binnen een DFG-project.

Neonionen gebruiken om materialen te trimmen

Kilian Lenz, anderzijds, gebruikt de methode van gefocuste ionenbundelmanipulatie om gewenste materiaaleigenschappen te optimaliseren door de geometrie van de nanostructuur zelf te veranderen. De gebruikte neon-ionenbundel heeft een diameter van slechts twee nanometer. Op de plaats van het bombardement, oneffenheden in het materiaal, of gewoon materiële randen, worden in gelijke dimensie verwijderd. "We onderzoeken dit met behulp van koolstofnanobuisjes die een bijna cilindrische magnetische ijzeren kern bevatten. De structuur en geometrie van deze nanobuisjes kan worden geoptimaliseerd door te trimmen in de helium-ionenmicroscoop, " verklaarde Lenz, het proces beschrijven.

Een micromanipulator wordt gebruikt om een ​​enkele buis - met een diameter van 70 nanometer en een lengte van 10 micrometer - te scheiden en in een microresonator te plaatsen voor meting. "Het is een extreem uitgebreid proces dat het team van het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden voor ons heeft ontwikkeld, ", legt Lenz uit. De unieke combinatie van sneden met behulp van de gefocusseerde ionenbundel en metingen van de ferromagnetische resonantie van de ijzeren kern stelt de onderzoekers in staat, geleid door Lenz, om licht te werpen op een bijna perfecte magnetische structuur om de eigenschappen van de ijzeren kern in de nanobuis te onthullen.

Dergelijke methoden voor de gerichte manipulatie van nanomagnetische materiaaleigenschappen met behulp van gefocusseerde ionenbundels zullen in de toekomst verder worden onderzocht in het HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. De wetenschappers zijn van mening dat hun methode en de afgestemde materialen die het produceert het potentieel hebben om vooruitgang te boeken in spintronische toepassingen en bij de fabricage van innovatieve detectieapparatuur of opslagmedia.