Dreidimensionale Nanostrukturen mit Ionenstrahlen erzeugen

Effekte an Grenz­flächen zwischen magnetischen und nicht­magnetischen Schichten werden bereits seit drei Jahr­zehnten für die Daten­speicherung ausgenutzt, was zu einer stetigen Steigerung der Speicher­kapazitäten von Festplatten geführt hat. Herstellen lassen sich diese Grenz­flächen zum Beispiel mit Ionen­strahlen. Welche Prozesse dabei genau ablaufen, haben Wissen­schaftler um Alina Maria Deac vom HZDR jetzt ans Licht gebracht. Ihre Ergebnisse könnten die Entwicklung leistungs­fähiger neuromorpher Computer voran­bringen.

Spintronik gilt als vielversprechendes Forschungsfeld für kleinere, leistungs­fähigere und sparsamere Hardware. Während bei der üblichen Halbleiter­elektronik die elektrische Ladung im Mittelpunkt steht, kommt bei der Spintronik dem magnetischen Moment der Elektronen die entscheidende Bedeutung zu. Dass sich solche Nano­strukturen, die aus magnetischen und nicht­magnetischen Schichten bestehen, mit Ionen­strahlen erzeugen lassen, war bereits seit einigen Jahren bekannt.

Dabei wird zum Beispiel nicht­magnetisches Kobaltoxid mit Ionen beschossen, wodurch es sich in ferro­magnetisches Kobalt umwandelt. Auf diese Weise lassen sich mehrlagige Schichten erzeugen, bei denen sich magnetische und nicht­magnetische Lagen abwechseln. An den Grenz­flächen zwischen den nur wenige Nanometer starken Lagen treten verschiedene Effekte auf, die für die magnetische Daten­speicherung und -übertragung essentiell sind und sie noch deutlich verbessern könnten.

„Was genau passiert, wenn ein Ionenstrahl nicht­magnetisches Oxid in magnetisches Metall umwandelt, hat eine südkoreanische Forschungs­gruppe bereits 2012 untersucht“, erläutert Deac. Damals setzten die Wissen­schaftler Protonen­strahlen ein. Diese, so die bisherige Annahme, würden mit dem Sauerstoff im Kobalt­oxid auf chemischem Wege reagieren. Übrig blieben das magnetische Kobalt und Wasser.

„Dieser Erklärung wollten wir nicht folgen“, sagt Deac, „denn niemand konnte bisher das Wasser im Material nachweisen, was bei einem elektro­nischen Bauelement dort auch völlig fehl am Platze wäre.“ Wenn kein Wasser aufzuspüren war, so die Überlegung der Forscher, müsste es entweder auf unbekannte Weise aus dem Material verschwinden oder ein anderer Effekt wäre für die Umwandlung von Kobaltoxid in Kobalt verantwortlich.

Deac und ihr Team führten daraufhin ihre eigenen Versuche mit verschiedenen Teilchen­strahlen durch und konnten zeigen, dass es zu keiner chemischen Reaktion kommt. „Die Sauerstoff­atome reagieren nicht auf chemischem Wege. Sie werden von den energie­reichen Teilchen einfach mechanisch aus dem Weg gestoßen“, erklärt die Wissen­schaftlerin. Für die Versuche verwendete das Team verschiedene Masken, um Teile des Ausgangs­materials abzudecken. Dabei konnten die Forscher zeigen, dass der Effekt nur an den Stellen auftritt, an denen der Strahl das Kobalt­oxid direkt traf. „Die Sauerstoff­atome werden also entweder in die benach­barten, nicht bestrahlten Bereiche der gleichen Schicht oder in die darunter­liegenden Schichten trans­portiert“, fasst Deac zusammen.

Das Verständnis dieser Vorgänge ist wichtig, um in Zukunft Nano­strukturen für Bauteile mit Ionen­strahlen zu fertigen. Während solche Strukturen bisher üblicherweise zwei­dimensional sind, haben Deac und ihre Arbeits­gruppe die Fertigungs­prozesse nun um eine dritte Dimension erweitert, indem sie die mehrlagigen Schichten aus Kobaltoxid und Platin nur an ausgewählten Stellen mit Ionen bestrahlt haben. „Dadurch bilden sich zwei unter­schiedliche Arten von Grenzflächen“, beschreibt Deac das Ergebnis. „Zum einen horizontale zwischen Kobalt und Platin, die die Magneti­sierung des Kobalts in eine bevorzugte Richtung zwingen, und zum anderen vertikale zwischen Kobaltoxid und Kobalt, an denen das magnetische Moment blockiert wird.“

Diese dreidimensionalen Strukturen eröffnen große Potenziale für eine weitere Miniaturi­sierung. Denn extrem kleine, sparsame und leistungs­fähige Bauelemente herzu­stellen, ist die Grund­voraus­setzung für eine ganz neue Computer­generation. Die Forscher denken dabei vor allem an neuromorphe Hardware. Diese neue Art von Computern steht noch ganz am Anfang ihrer Entwicklung. Sie sind dem mensch­lichen Gehirn nach­empfunden und vereinen hochgradig vernetzte parallele synthetische Neuronen und Synapsen auf den Chips. Damit über­treffen sie heutige Computer nicht nur in puncto Rechen­leistung, sondern sind auch wesentlich kleiner und energie­sparender. Das macht sie zur idealen Hardware für Anwendungen aus dem Bereich der künst­lichen Intelligenz, wie zum Beispiel dem Einsatz in autonomen Fahrzeugen.

HZDR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  O. Yildirim et al.: Ion-irradiation-induced cobalt/cobalt oxide heterostructures: Printing 3D interfaces, Appl. Mat. Interf. 12, 9858 (2020); DOI: 10.1021/acsami.9b13503
• Hochfeld-Magnetlabor Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf