Helium-3-Kryostat für Messungen des elektrischen (Magneto-) Transports
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Natur auftretende magnetische Strukturen mittels Methoden der Nanotechnologie nachzubilden hat sich als erfolgreicher Ansatz zur Untersuchung geometrisch induzierter magnetischer Frustration (Strukturen bei denen nicht alle Wechselwirkungen gleichzeitig befriedigt werden können) und von Modellsystemen der statistischen Physik erwiesen. Außerdem können neuartige physikalische Eigenschaften „konstruiert“ werden, indem künstliche Gitter-Geometrien realisiert werden, die natürlicher Kristallisation und chemischer Synthese nicht zugänglich sind. Solche magnetische Nanostrukturen werden üblicherweise mittels hochpräziser Lithographie-Techniken hergestellt und sind planare, zweidimensionale (2D) Strukturen. Obwohl erste Vorschläge gemacht wurden, um in die dritte Raumdimension (3D) vorzustoßen, konnten die etablierten Vorgehensweisen basierend auf Elektronenstrahllithographie bisher nicht auf einfache Weise adaptiert werden, um freistehende und freiformbare 3D-Nanostrukturen zu erhalten. Allerdings konnten derweil neue Herstellungsmethoden wie die elektronenstrahlinduzierte Abscheidung (FEBID – Focused Electron Beam Induced Deposition) weiterentwickelt werden, so dass nun hochkomplexe und funktionale Deponate für das Gebiet des Nanomagnetismus zur Verfügung stehen. Diese 3D magnetischen Nanoelemente können außerdem mit weiteren 3D Elementen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und intrinsischen Materialeigenschaften kombiniert werden. Kürzlich ist es in einer Zusammenarbeit am Physikalischen Institut der Goethe-Universität Frankfurt gelungen, freistehende ferromagnetische 3D-Nanoarchitekturen bestehend aus Eisen-Kobalt (a-bcc FeCo3) auf ein Substrat zu deponieren. Diese „3D-Nanodrucktechnik“ erlaubt nun, einen hochempfindlichen Hall- Sensor direkt mit den magnetischen Strukturen direkt zu „beschreiben“, so dass das magnetische Streufeld dieser 3D-Nanostrukturen unter Variation eines von außen angelegten Magnetfeldes untersucht werden kann. Unterstützt von Makro-Spin- und mikromagnetischen Simulationen konnten wir das Magnetisierungsprofil und das Umschaltverhalten dieser Strukturen eingehend analysieren. Untersucht wurden vier Fe-Co- Nanowürfel (als 2 x 2 „Array“ angeordnet) sowie „Nanobäumchen“, wobei Stamm und Äste in Tetraederform ausgerichtet sind. Das Potential dieser Kombination von FEBID-Herstellungs- und Mikro-Hall-Messmethode ist sehr weitreichend: (i) Frei formbare 3D-Nanostrukturen (nicht mittels Elektronenstrahl-Lithographie realisierbar) erlauben die Einstellbarkeit der magnetischen Frustration, wobei die statischen und dynamischen Magnetisierungsprozesse durch Topologie und Geometrie der wechselwirkenden magnetischen Elemente kontrolliert werden können. Ein wichtiges Anwendungsfeld sind sog. künstliche Spin-Eis-Strukturen, die bisher nur in 2D existieren. Die Erweiterung auf 3D eröffnet nun eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. (ii) Durch das direkte Aufbringen auf ultrasensitive Mikro-Hall-Sensoren kann das magnetische Streufeld (in bestimmten Fällen sogar dessen verschiedene räumliche Komponenten) kleiner Arrays und sogar einzelner 3D magnetischer Nanostrukturen gemessen werden. Solche hochempfindlichen Messungen bedürfen einer hohen Stabilität der Messumgebung bzgl. Temperaturvariation und Schwankung des äußeren Magnetfeldes bei der Feldänderung. Dies ist durch das von der DFG geförderte Magnetsystem gewährleistet. Auch die Methode der „First-Order Reversal Curves“ (FORC), die Üblicherweise auf sehr große Ensembles magnetischer Nanostrukturen angewandt wird, bedarf sehr stabiler experimenteller Bedingungen (Temperatur- und FeldstabilitŠt), die mit unserem Messaufbau sehr gut erreicht werden konnten. Der Vorteil der FORC- Analyse besteht darin, die Verteilung von Koerzitivfeldern und magnetische Wechselwirkungen direkt abzubilden, was bei der zukünftigen Untersuchung großer Arrays von gro§em Nutzen sein wird. Durch die Möglichkeit, die Probe im äußeren Magnetfeld zu drehen, kann die Winkelabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften, also Umschaltfeld und remanente Magnetisierung genau studiert und mit theoretischen Modellen verglichen werden. Die Funktion eines kleinen zeitlich oszillierenden Magnetfeldes, des dem statischen Feld überlagert werden kann, erlaubt mittels Suszeptibilitätsmessungen auch superparamagnetische Nanoteilchen zu untersuchen. Schließlich werden die dynamischen Aspekte der Magnetisierungsumkehr (Bewegung magnetischer Domänenwände) mittels einer Methode, bei der die Fluktuationen des magnetischen Flusses analysiert werden, im Frequenzbereich (also spektroskopisch) untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Direct-write of freeform 3D nanostructures with controlled magnetic frustration. Scientific Reports (2018)
L. Keller, M. K.I. Al Mamoori, J. Pieper, C. Gspan, Irina Stockem, C. Schröder, S. Barth, R. Winkler, H. Plank, M. Pohlit, J. Müller, and M. Huth
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Magnetic Characterization of Direct-Write Free-Form Building Blocks for Artificial Magnetic 3D Lattices. Materials 11, 289 (2018)
M. K.I. Al Mamoori, L. Keller, J. Pieper, S. Barth, R. Winkler, H. Plank, J. Müller, and M. Huth
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Magnetic Stray Field Detection as Guidance for Electronic Transport Measurements in the B T́ Phase Diagram of MnSi. Acta Physica Polonica A 133, 582 (2018)
M. Pohlit, S. Witt, M. Akbari, C. Krellner, and J. Müller
