ZnO zeigt Defekt-Magnetismus

In unmagnetischem Zinkoxid (ZnO) lassen sich ganz gezielt magnetische Eigenschaften hervorrufen, indem man dessen Struktur beschädigt.

Riesige Mengen an Daten werden heute unter Ausnutzung magnetischer Effekte auf Computerfestplatten gespeichert. Nach ungefähr zehn Jahren gehen viele Daten jedoch verloren. Weltweit wird deshalb nach einem Werkstoff gesucht, der die Lebensdauer der gespeicherten Informationen verlängert. Diesem sind Wissenschaftler vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) jetzt auf der Spur. Sie konnten nachweisen, dass in unmagnetischem Zinkoxid gezielt magnetische Eigenschaften hervorgerufen werden können, indem man dessen Struktur beschädigt.

Bei der Speicherung von Daten in Computerfestplatten werden die magnetischen Eigenschaften der verwendeten Stoffe – häufig Legierungen aus ferromagnetischen Materialien wie Kobalt, Chrom oder Eisen – ausgenutzt. Mit diesen Legierungen sind die Festplatten beschichtet. Die Schichten bestehen aus winzigen Partikeln, von denen jedes magnetisierbar ist. Gleichzeitig sind die Partikel jedoch so voneinander isoliert, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen können. Sie speichern die Daten in Form von magnetischen Bits, indem das Magnetfeld jeweils entweder nach Nord oder Süd ausgerichtet ist. Diese binäre Codierung wird von einem ebenfalls magnetischen Schreibkopf über der Festplatte erkannt und abgelesen. Abhängig von der Temperatur ändern sich die magnetischen Felder der Partikel allerdings langsam. Damit verfälschen sich die gespeicherten Daten, sie werden unbrauchbar.

Zinkoxid, das normalerweise als Bestandteil von Wandfarbe oder in medizinischen Präparaten zur Haut- und Wundbehandlung verwendet wird, ist nicht magnetisch. Zwei Forschergruppen im FZD haben jetzt aber nachgewiesen, dass Zinkoxid durch Beschädigung magnetisch wird. Kay Potzger und seine Kollegen beschossen kristallines Zinkoxid mit Ionen, also mit schnellen geladenen Atomen. Heidemarie Schmidt dagegen untersuchte dotierte Zinkoxid-Dünnschichten, welche an der Universität Leipzig gezüchtet wurden. Solch eine Züchtung bringt gezielt magnetische Ionen in das Zinkoxid ein, gleichzeitig werden die Beschädigungen in den dünnen Schichten durch die Züchtungsbedingungen kontrolliert. Beide Gruppen kamen übereinstimmend zu dem Schluss, dass eine besondere Art des Magnetismus im Zinkoxid hervorgerufen werden kann, der so genannte Defekt-Magnetismus. Dieser Defekt-Magnetismus zeigt allerdings nicht die Temperaturabhängigkeit von Legierungen in heutigen Computerfestplatten, welche nach mehreren Jahren zu Datenverlust führt.

Abb.: Das Ergebnis von Röntgenuntersuchungen an Zinkoxid beruht auf der Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit der Anordnung der Atome im Zinkoxid. Je größer die grün-blau eingefärbte Fläche, desto größer die Schädigung der Struktur. (Quelle: FZD)

Theorien zum Defekt-Magnetismus gibt es seit rund 15 Jahren, doch war der Effekt selbst bislang umstritten. 1991 wurden beispielsweise magnetische Effekte dieser Klasse im Kohlenstoff entdeckt; technisch angewendet wurden sie bisher jedoch nicht. Ein grundsätzliches Problem, vor dem nun auch die FZD-Wissenschaftler stehen, ist, dass der erzeugte Defekt-Magnetismus von der Stabilität der erzeugten Defekte abhängt und nach kurzer Zeit wieder verschwinden kann. „Gegenwärtig bleibt implantiertes, kristallines Zinkoxid drei Tage lang ferromagnetisch. Innerhalb dieser Zeit ist es aber temperaturunempfindlich“, so Kay Potzger. Jetzt stehen die Wissenschaftler vor der Aufgabe, die für den Defekt-Magnetismus verantwortlichen Defekte so zu stabilisieren, dass das Zinkoxid seine magnetischen Eigenschaften länger behält.

„Mit Zinkoxid gibt es einen weiteren Spieler, der eventuell besser für die Stabilisierung seiner magnetischen Eigenschaften geeignet ist als die heute verwendeten Legierungen. Diese kranken vor allem daran, dass die fortschreitende Miniaturisierung in der Speichertechnologie die Temperaturempfindlichkeit weiter erhöht, was von Zinkoxid nicht zu erwarten ist“, schätzt Kay Potzger das Potenzial des Materials ein.

Quelle: FZD

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Shengqiang Zhou, K. Potzger, K. Kuepper, J. Grenzer, M. Helm, J. Fassbender, E. Arenholz, J.D. Denlinger, Ni implanted ZnO single crystals - correlation between nanoparticle formation and defect structure, Journal of Applied Physics 103, 043901 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2837058
  Q. Xu, H. Schmidt, S. Zhou, K. Potzger, M. Helm, H. Hochmuth, M. Lorenz, A. Setzer, P. Esquinazi, C. Meinecke, M. Grundmann, Room temperature ferromagnetism in ZnO films due to defects, Applied Physics Letters (zum Druck angenommen)
• Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD):
  http://www.fzd.de
• Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am FZD:
  http://www.fzd.de/FWI/