Neuartige magnetische Materialien

Bedampft man schichtartig angeordnete Polymer-Nanokügelchen abwechselnd mit dünnen Schichten aus Kobalt und Platin, so erhält man ein neuartiges magnetisches Material.

Mithilfe der Selbstorganisationskräfte der Natur haben Forscher um Thomas Eimüller (Leiter der DFG Nachwuchsgruppe „Magnetische Mikroskopie“ am Sonderforschungsbereich 491 „Magnetische Heteroschichten“ der Ruhr-Universität Bochum) auf einfache Weise neuartige magnetische Materialien entwickelt. Sie erreichen, dass sich Nano-Kügelchen von selbst auf einem Trägermaterial als geordnete Schicht organisieren und dampfen dann dünne Schichten magnetischer Materialien wie Kobalt und Platin abwechselnd auf. Dabei entstehen auf den Kugeln Schichtstapel mit sichelförmigem Querschnitt, die am Pol dick, am Äquator aber sehr dünn sind. Die Ausrichtung der Magnetisierung ändert ihre Richtung abhängig von der Schichtdicke und somit auf jeder einzelnen Kugel. Über ihre Arbeiten berichten die Forscher in der Fachzeitschrift Physical Review B.

Der enorme Fortschritt in der Herstellung und Charakterisierung magnetischer Materialien hat in den vergangenen Jahren elektronische Stabilisierungssysteme in Fahrzeugen, ebenso wie den gigantischen Anstieg in der Speicherdichte von Computerfestplatten ermöglicht. Diese Entwicklung basiert hauptsächlich auf der Fähigkeit, die Eigenschaften magnetischer Systeme durch Strukturierung in alle drei Raumrichtungen maßzuschneidern. Auf der Grundlage dieses Konzepts haben die Bochumer Forscher zusammen mit Kollegen aus Konstanz, Stuttgart und den USA ein neuartiges magnetisches Gradientenmaterial entwickelt und untersucht.

Sie ließen eine Lösung aus Polymer-Nanokugeln langsam auf einer glatten Unterlage verdampfen. Dabei ordnen sich die Nanokugeln von selbst regelmäßig auf der Oberfläche an. Auf diese „Kugel-Landschaft“ werden dann abwechseln dünne Schichten aus Kobalt und Platin aufgedampft. Die Krümmung der Oberfläche der Kugeln sorgt für eine ungleichmäßige Verteilung der aufgedampften Materialien: „Auf den Polen der Kugeln bilden sich dabei relativ dicke Schichten aus, die zum Äquator hin immer dünner werden“, beschreibt Thomas Eimüller. „Es entstehen so voneinander entkoppelte magnetische Inseln.“ Interessant für die Forscher ist besonders die Ausrichtung der Magnetisierung innerhalb dieser Inseln. Während sie an den dicken Stellen der Schicht in der Ebene liegt, weist sie an den dünnen Stellen senkrecht zur Oberfläche. „Das neue Material ändert seine magnetischen Eigenschaften also lokal auf einer Längenskala von nur einigen zehn Millionstel Millimetern“, erklärt Thomas Eimüller.

Abb.: Neuartige Magnetische Materialien basieren auf einer Schicht aus Polymer-Nanokügelchen, die abwechselnd mit dünnen Schichten aus Kobalt und Platin bedampft wurden. (Quelle: RUB)

Normalerweise liegt die Magnetisierung von dünnen magnetischen Schichten in der Ebene. Für eine stabile Magnetisierung ist eine gewisse Größe notwendig, die die Verkleinerung von Chips limitiert. Die senkrechte Magnetisierung ist daher sehr erwünscht, denn sie braucht „weniger Platz“ und erlaubt es, mehr Informationen auf kleinerem Raum unterzubringen. Mit einem Röntgenmikroskop in Berkeley, Kalifornien, konnte Thomas Eimüller die Umorientierung der Magnetisierung auf einer Längenskala von weniger als 100 Nanometern nachweisen und in Filmaufnahmen detailliert studieren.

Quelle: RUB

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. Eimüller, T. C. Ulbrich, E. Amaladass, I. L. Guhr, T. Tyliszczak und M. Albrecht: Spin-reorientation transition of Co/Pt multilayers on nanospheres, Phys. Rev. B. 77, 134415 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.77.134415
• Experimentalphysik IV – Festkörperphysik an der Ruhr-Universität Bochum (RUB):
  http://www.ep4.ruhr-uni-bochum.de
• Nachwuchsgruppe Magnetische Mikroskopie (mit Filmen und weiteren Bildern):
  http://www.ep4.ruhr-uni-bochum.de/JRG/