Status und Perspektiven - SNI-Portal

Eingeschränkte Dimensionalität
Die moderne Materialpräparation kann gezielt Nanoteilchen
und geordnete Nanostrukturen in 1, 2 und 3
Dimensionen herstellen, sei dies durch gezielte Materialmodifikation
mit physikalischen Verfahren wie
Epitaxie oder Lithographie („top-down“) oder durch
Selbstorganisation („bottom-up“). Die sich entwickelnde
Nanotechnologie ist dabei, unsere Welt zu revolutionieren.
Beispiele sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen als
Strukturmaterialien oder als elektrische Leiter, die ungewöhnlich
hohe Stromdichten tragen können. Magnetische
Nanostrukturen fi nden Verwendung als nichtfl üchtige
Datenspeicher oder allgemeiner als Bauelemente
der „Spintronik“. Darunter versteht man Informationsspeicherung,
Informationstransport und Informationsverarbeitung,
basierend auf dem Elektronenspin statt
der Elektronenladung. Im Vergleich zu herkömmlichen
elektronischen Bauelementen haben Spintronik-Elemente
erhebliches Verbesserungspotential hinsichtlich
Schnelligkeit, Miniaturisierbarkeit, Leistungsverbrauch
und langfristig dem möglichen Einsatz in Quantencomputern.
Nanomaterialien
Die Eigenschaften von Nanomaterialien unterscheiden
sich grundsätzlich von denen des Volumenmaterials
und sind durch die freien Ober- und Grenzflächen bzw.
die enge Nachbarschaftsbeziehung zu angrenzenden
Materialien bestimmt. Mit einem Verständnis der
grundlegenden Effekte können gezielt künstliche Materialien
mit ganz bestimmten, gewünschten Eigenschaften
hergestellt werden. Ein Beispiel ist der Riesenmagn
etowiderstandseffekt GMR, der in gekoppelten metallischen
Schichtstrukturen auftritt. Dieser Effekt, der
bei neugiergetriebener Grundlagenforschung gefunden
wurde, hat innerhalb von nur 10 Jahren die Datenspeicherung
revolutioniert: alle Leseköpfe der Laufwerke
heutiger Computer nutzen den GMR-Effekt!
Offene Fragen sind zum Beispiel:
• Welches sind die elektronischen, magnetischen und
mechanischen Eigenschaften von Nanosystemen
aus vielen Komponenten, und wie können wir diese
Eigenschaften vorhersagen
• Können wir die Quantenzustände niederdimensionaler
magnetischer Systeme verstehen
• Welche neuartigen Phänomene resultieren aus der
direkten Nachbarschaft verschiedener Materialien
(„Proximity Effect“)
• Welchen Einblick können wir in die Funktion biologischer
Membranen erhalten Wie wird z. B. der
selektive Stofftransport durch eine solche Membran
realisiert
• Wie können katalytische Prozesse an Oberflächen
und Nanopartikeln systematisch optimiert werden
• Wie verändert sich das Verhalten von Flüssigkeiten in
Nanoporen und Nanokanälen
Neutronen als Spione in der Nanowelt sind hervorragend
geeignet, strukturelle und magnetische Ordnung
und Wechselwirkungen in Nanostrukturen zu bestimmen,
z. B. durch Streuung unter streifendem Einfall.
Magnetismus von dünnen Schichten und
Nanostrukturen
Fortschrittliche magnetische Materialien mit maßgeschneiderten
Eigenschaften bestehen aus Nanostrukturen,
die auf atomarem Maßstab gezielt aus ferromagnetischen,
antiferromagnetischen und nichtmagnetischen
Bestandteilen aufgebaut sind. Die Entwicklung dieser
Materialien wird getrieben durch die zahlreichen Anwendungen
in der modernen Informationstechnologie
und der Forderung nach immer kleineren magnetischen
Elementen zur Speicherung oder Verarbeitung von
Information. Bezüglich der Grundlagenforschung verursacht
der für Nanostrukturen charakteristische große
Anteil von Ober- und Grenzflächen neue und faszinierende
Phänomene im Magnetismus, die eine Herausforderung
für unser grundlegendes Verständnis darstellen.
Experimente mit polarisierten Neutronen gestatten uns
einzigartige Einblicke in solche Nanostrukturen und
tragen entscheidend zum besseren Verständnis des Magnetismus
auf der Nanometerskala bei (s. Abb. 2.34).
Magnetische Dünnschichtsysteme
In den Neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden
an magnetischen Vielfachschichten einige Phänomene
entdeckt, die innerhalb weniger Jahre die Informationstechnologie
revolutionierten und die Grundlage
legten für das neue Gebiet der „Spintronik“. Dazu
gehören die Kopplung ferromagnetischer Lagen durch
nichtmagnetische Zwischenschichten („Zwischenschichtkopplung“),
die starke Änderung des elektrischen
Widerstands im externen Magnetfeld („Riesenma
gnetowiderstandseffekt“) und die gegenseitige magnetische
Beeinflussung benachbarter Schichten („Proximity
Effekte“). Als aktuelles Beispiel sei der so genannte
„Exchange Bias Effekt“ vorgestellt. Es handelt sich
dabei um eine Anisotropie, die genau eine Richtung
auszeichnet und die in einer ferromagnetischen Schicht
durch quantenmechanische Austauschkopplung an eine
antiferromagnetische Schicht induziert wird. Dadurch
kommt eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung
zustande, die viele Anwendungen von Dünnschicht-
systemen in der Sensorik erst ermöglicht hat. Solche
Sensoren bestehen aus mehreren Lagen verschiedener
magnetischer Materialien. Leistungsfähige Untersuchungsmethoden
sollten es gestatten, die magnetischen
Eigenschaften tiefenaufgelöst bestimmen zu können.
Die Streuung polarisierter Neutronen unter streifendem
Einfall hat einen entscheidenden Vorteil vor vielen
anderen Methoden: sie erlaubt es, sowohl den Wert als
auch die Richtung der mittleren Magnetisierung aller
Schichten eines solchen Stapels einzeln zu bestimmen
und darüber hinaus lokale Abweichungen von dem
Mittelwert tiefenaufgelöst zu beobachten. Damit kann
etwa ein Ummagnetisierungsprozess beim Richtungswechsel
des äußeren Felds im Detail verfolgt werden.
Bei den „Exchange Bias“-Systemen wird in einigen
Fällen Domänenbildung und Domänenwachstum beobachtet,
in anderen Fällen eine kohärente Drehung der
Gesamtmagnetisierung. Mit Hilfe von systematischen
Neutronenreflektometrie-Untersuchungen konnte ein
detailliertes Verständnis erzielt werden, das es gestattet,
Vorhersagen über den Ummagnetisierungsprozess zu
machen, um damit Schaltzeiten und Reproduzierbarkeit
zu verbessern.
f
[mrad]
f
[mrad]
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
I++
0 20 40 60 80
0 20 40 60 80
i
[mrad ]
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
I− −
0 20 40 60 80
I+− I− +
Lateral strukturierte Schichtsysteme
und Nanostrukturen
Während magnetische Dünnschichtsysteme nur entlang
einer Richtung nanostrukturiert sind, können durch
lithographische Verfahren oder durch Selbstorganisation
zwei- und dreidimensionale reguläre Anordnungen
von magnetischen Nanopartikeln erzeugt werden. Diese
Systeme finden Anwendung in der magnetischen Datenspeicherung
und lassen neue Effekte aufgrund zusätzlicher
Quantisierungsbedingungen erwarten. Bisher existieren
keine wirklich leistungsfähigen Messmethoden,
um so wichtige Informationen wie die Verteilung der
Magnetisierung innerhalb der einzelnen Nanopartikel
oder die magnetischen Korrelationen zwischen den
Partikeln experimentell zugänglich zu machen. Das Potential
der Neutronenstreuung konnte durch Kleinwinkelstreuung
an Ferrofl uiden magnetischer Nanopartikel
bereits eindrucksvoll aufgezeigt werden (s. Abb. 2.35).
Zurzeit wird an verschiedenen Stellen eine neue Technik,
die Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen
unter streifendem Einfall, entwickelt. Es zeichnet sich
ab, dass mit dieser Methode ein Durchbruch bei der
experimentellen Untersuchung von geordneten zweidimensionalen
Nanostrukturen auf der Subnanometerskala
erzielt werden wird (s. Abb. 2.34).
0 20 40 60 80
i
[mrad ]
Abb. 2.34. Neutronenstreuung
unter streifendem Einfall an einem
polykristallinen magnetischen
Vielschichtsystem. Gezeigt ist die
Streuung in allen vier Polarisationskanälen
als Funktion von Einfalls-
(
) und Ausfallswinkel (
). Die
Intensität auf den Diagonalen gibt
Information über die mittlere Magnetisierung
der Schichten, während
die diffuse Streuung neben den
Diagonalen Information über Domänenstrukturen
liefert. In jedem
Teilbild sind experimentelle Daten
(links oberhalb der Diagonalen) mit
der Theorie (rechts unterhalb der
Diagonalen) verglichen.
Eingeschränkte Dimensionalität:
40 41
Nanomagnetismus