I samarbete med kollegor från Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) och University of Glasgow, fysiker från det tyska forskningscentret Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) arbetar med att producera konstruerade magnetiska nanostrukturer och att skräddarsy materialegenskaper i nanoskala. Forskarna använder ett speciellt mikroskop vid HZDR Ion Beam Center för att uppnå detta mål. Detta mikroskops ultratunna jonstråle är kapabel att producera stabila, periodiskt arrangerade nanomagneter i ett provmaterial. Enheten kan också användas för att optimera de magnetiska egenskaperna hos kolnanorör. Forskarna redovisar nu sina resultat i två artiklar som har publicerats i Små .

"Den magnetiska avstämningen av material i nanometerområdet erbjuder stor potential för produktion av toppmoderna elektroniska komponenter. Vi bedriver olika tillvägagångssätt när det gäller våra magnetiska nanostrukturer, som alla involverar användningen av jonstrålar, " sa HZDR-forskarna Dr Rantej Bali, Dr Kilian Lenz och Dr Gregor Hlawacek. Om, till exempel, en jonstråle riktas mot en icke-ferromagnetisk järn-aluminiumlegering, den kan förskjuta några hundra atomer. Atomerna i legeringen omarrangeras sedan, därigenom ökar antalet intilliggande magnetiska järnatomer. Som ett resultat bildas en magnet i närheten av bombardemangsplatsen. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att gravera nanomagneter lokalt i tunna filmer av ett material som ursprungligen var icke-ferromagnetiskt.

Störning inducerar inkorporering av nanomagneter

I deras senaste verk, HZDR-forskarna visar att den jonstråleinducerade störningen också ökar volymen av den underliggande gitterstrukturen, om än inte jämnt i alla rumsliga riktningar. Gitterförvrängningen påverkar också det magnetiska beteendet. Till exempel, i en långsträckt magnetremsa, magnetiseringen förväntas inrikta sig längs den långa axeln – vilket vanligtvis är fallet i en konventionell stångmagnet. På grund av gitterförvrängningen i de inbäddade nanomagneterna, tvärgående magnetiseringskomponenter observeras också. Nettoeffekten är att de magnetiska momenten tenderar att "böjas" bort från magnetens längd på ett periodiskt sätt. Dessa stabila, periodiska magnetiska domäner kan också på ett tillförlitligt sätt bildas i krökta magneter, och kan hitta tillämpningar i miniatyriserade magnetiska sensorer, till exempel.

I HZDR heliumjonmikroskop, fysikerna använde ädelgaser för att producera extremt tunna – och därför mycket precisa – jonstrålar. "Diametern på vår jonstråle är bara några atomer bred, " förklarade Gregor Hlawacek, som koordinerar experimenten vid helium-jon-mikroskopet. "Beroende på vilken ädelgas som används, vi kan sedan modifiera egenskaperna hos det bestrålade materialet eller ändra dess morfologi genom att ta bort atomer." Trots dess namn, Helium-jon-mikroskopet är inte bara begränsat till användningen av helium. I sina senaste experiment, forskarna använde neon, som är tyngre än helium, och har därför en starkare inverkan på materialet som ska modifieras. Samarbetet med University of Glasgow gjorde det också möjligt för HZDR-forskarna att använda transmissionselektronmikroskopet som finns vid dess ordförande för material- och kondenserad materiens fysik.

Rantej Balis experiment involverade att använda en neonjonstråle som en magnetisk skrivpenna:"Jonstrålen gör det möjligt att producera magnetiska nanostrukturer i vilken form som helst, som är inbäddade i materialet och definieras enbart av sina magnetiska och kristallografiska egenskaper, sa Bali, sammanfattar resultaten av hans tidigare forskning, genomfördes vid HZDR inom ett DFG-projekt.

Använda neonjoner för att trimma material

Kilian Lenz, å andra sidan, använder metoden för fokuserad jonstrålemanipulation för att optimera önskvärda materialegenskaper genom att ändra geometrin på själva nanostrukturen. Neonjonstrålen som används har en diameter på bara två nanometer. På bombardementsplatsen, ojämnheter i materialet, eller helt enkelt materialkanter, tas bort i samma dimension. "Vi undersöker detta med hjälp av kolnanorör som innehåller en nästan cylindrisk magnetisk järnkärna. Strukturen och geometrin hos dessa nanorör kan optimeras genom att trimmas i heliumjonmikroskopet, sa Lenz, beskriver processen.

En mikromanipulator används för att separera ett enda rör – med en diameter på 70 nanometer och en längd på 10 mikrometer – och för att placera det i en mikroresonator för mätning. "Det är en extremt utarbetad process som teamet från Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden har utvecklat för oss, " förklarade Lenz. Den unika kombinationen av skärningar med den fokuserade jonstrålen och mätningar av den ferromagnetiska resonansen hos järnkärnan gör det möjligt för forskarna, ledd av Lenz, att belysa en nästan perfekt magnetisk struktur för att avslöja egenskaperna hos järnkärnan i nanoröret.

Sådana metoder för riktad manipulation av nanomagnetiska materialegenskaper med hjälp av fokuserade jonstrålar kommer att fortsätta att utforskas vid HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research i framtiden. Forskarna tror att deras metod och de avstämda materialen den producerar har potential för att uppnå framsteg i spintroniska applikationer och i tillverkningen av innovativa avkänningsenheter eller lagringsmedia.