Gemeinsame Pressemitteilung von FZD und IFW Dresden

Streifen statt Schichten: Miniaturisierung magnetischer Sensoren durch Ionentechnik

Magnetische Sensoren und andere Anwendungen magnetischer Materialien sind vielleicht bald in noch kleineren Dimensionen als bisher möglich. Denn Dresdner Wissenschaftler konnten erstmalig einen bislang nur für ausgedehnte magnetische Schichtsysteme bekannten Effekt in einer magnetischen Mikrostruktur realisieren. Durch diese Entdeckung können magnetische Sensoren prinzipiell noch leistungsfähiger werden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift "Advanced Materials" veröffentlicht.

Fortschreitende Miniaturisierung ist ein wichtiger Motor für technische Weiterentwicklungen. Das zeigt sich gut an Festplattenlaufwerken, die bei einer hohen Speicherdichte heute so schmal sind, dass sie in schlanke Laptops passen. Für Festplatten werden ferromagnetische Materialien, also Dauermagneten z. B. aus Kobalt-Legierungen, verwendet. Sie liegen in mehrlagigen magnetischen Schichtsystemen vor, wobei die einzelnen Schichten oft nur wenige Atomlagen dick sind. Lassen sich solche Systeme noch weiter miniaturisieren und wenn ja, welche Eigenschaften zeigen diese? Mit dieser Frage beschäftigen sich Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD). Sie griffen die bekannte Tatsache auf, dass es nicht ausreicht, die Dicke der einzelnen Schichten zu reduzieren. Eine vielversprechende Alternative ist es, die typischen Eigenschaften der unterschiedlichen Materialschichten in einer einzelnen Schicht zu kombinieren, wie es den Forschern jetzt gelang. Sie stellten eine hauchdünne gestreifte Schicht her, bei der die Grenzen zwischen den einzelnen Streifen den Grenzen zwischen den einzelnen Lagen eines Schichtsystems entsprechen.

Übliche Schichtsysteme sind aus einzelnen Lagen hartmagnetischer und weichmagnetischer Materialien aufgebaut. Beides ist für die Funktionsfähigkeit magnetischer Bauteile wichtig. Hartmagnetische Materialien besitzen eine stabile magnetische Ausrichtung, weichmagnetische Materialien dagegen ändern ihre Magnetisierungsrichtung durch Anlegen eines magnetischen Feldes leicht, d. h. sie lassen sich leicht ummagnetisieren. Dieser Effekt wird z. B. angewendet, wenn in magnetischen Bits gespeicherte Daten durch den Lesekopf der Festplatte ausgelesen werden. So haben ultradünne magnetische Schichtsysteme die Datenspeicherung revolutioniert. Zu verdanken ist das der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstand-Effekts (engl. giant magnetoresistance effect, kurz GMR), wofür Peter Grünberg und Albert Fert im vergangenen Jahr den Nobelpreis für Physik erhielten. Ähnliche Schichtsysteme finden sich aber auch in Magnetsensoren, die man überall im Alltag - z. B. bei Drehreglern in Stereoanlagen - antrifft.

Um magnetische Bauteile weiter zu miniaturisieren, sind die Eigenschaften sowohl hartmagnetischer als auch weichmagnetischer Materialien wichtig. Die Dresdner Wissenschaftler haben nun erstmalig gezeigt, dass man Materialien unterschiedlicher magnetischer Härte auch in einer einzelnen Schicht - im Gegensatz zu den bisherigen mehrlagigen Schichtsystemen - durch den Beschuss mit Fremdatomen im Mikrometerbereich kombinieren kann. Diese Behandlung mit Fremdatomen macht das ursprünglich hartmagnetische Material magnetisch weicher. Von oben betrachtet ergibt die neue Struktur ein Streifenmuster, da beide Materialsysteme in seitlichem Kontakt stehen. Die Erkenntnis der Dresdner Wissenschaftler dabei: Auch in einer einzelnen magnetischen Schicht beeinflussen die Grenzen zwischen den Materialien - auch Domänenwände genannt - das Ummagnetisierungsverhalten. Die neue Technologie hat den Vorteil, dass die Domänenwände mittels optischer Mikroskopie sichtbar gemacht (Abb. 1, 2) und das Ummagnetisierungsverhalten als Ganzes untersucht werden kann (Abb. 3).

Die Forscher wollen nun mit der Strukturierung in den Nanometer-Bereich vordringen, um die physikalischen Effekte bei einer größtmöglichen Miniaturisierung zu untersuchen. Dr. Jürgen Fassbender, Physiker am FZD, erläutert: "Es ist zu erwarten, dass ab einer bestimmten Strukturgröße weitere völlig neue Effekte auftreten."

PI Fassbender Streifen 1 Bild 1

Bild mit freundlicher Genehmigung von WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim.
Falschfarben-Darstellung der Magnetisierungskonfiguration der Streifenstruktur während des Ummagnetisierungsvorgangs. Die Magnetisierung kann prinzipiell vier verschiedene Werte annehmen, die durch die jeweiligen Pfeile gekennzeichnet sind (unbestrahlter Bereich: rot, blau, bestrahlter Bereich: gelb, grün).

PI Fassbender Streifen 2 Bild 2

Links: Magnetische Domänenkonfiguration während des Ummagnetisierungsvorgangs eines 1 µm breiten Streifen-Arrays. Die gelben Pfeile deuten die Richtung und Stärke der resultierenden Gesamtmagnetisierung an. Rechts: Skizze zur Verdeutlichung der Magnetisierungskonfiguration innerhalb der einzelnen Streifen. Der Bereich niedriger Gesamtmagnetisierung (antiparallele Magnetisierungsausrichtung innerhalb der Streifenstrukturen, obere Bildhälfte) wird von dem Bereich hoher Gesamtmagnetisierung (parallele Magnetisierungsausrichtung innerhalb der Streifenstrukturen, untere Bildhälfte) durch sogenannte Head-on-Domänenwände (weiß gekennzeichnet) abgetrennt. Die antiparallel ausgerichteten Magnetisierungen in den Streifen werden durch 180°-Domänenwände (rot gekennzeichnet) voneinander getrennt. Die in diesen Domänenwänden gespeicherte Energie ist die Ursache des Ummagnetisierungseffekts.

PI Fassbender Streifen 3 Bild 3

Ummagnetisierungsverhalten des oben gezeigten 1 µm breiten Streifen-Arrays parallel (blau) und senkrecht (rot) zur Streifenrichtung. Das Ummagnetisierungsverhalten entlang der Streifenrichtung ist durch einen ausgeprägten 2-Stufenprozess gekennzeichnet. Werden nur kleine Magnetfelder (± 0.5 kA/m) angelegt, so ist die resultierende Hysterese bzgl. des Koordinatenursprungs zu negativen Feldern Hext hin verschoben. Dies ist die Signatur des Ummagnetisierungseffekts.

Veröffentlichung:
J. McCord, L. Schultz, J. Fassbender, "Hybrid soft-magnetic lateral exchange spring films created by ion irradiation", in: Advanced Materials 11/2008 (DOI: 10.1002/adma.200700623).

Ansprechpartner im FZD:
Dr. Jürgen Fassbender
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: 0351 260 - 3096

Ansprechpartner im IFW:
Dr. Jeffrey McCord
Institut für Metallische Werkstoffe
Tel.: 0351 4659 - 204

Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Bautzner Landstr. 128
01328 Dresden
Tel.: 0351 260 - 2450 oder 0160 969 288 56
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