Unterdrückung nichtmagnetischer Artefakte in der Magnetkraftmikroskopie mittels integrierter Differenzbildung

• Antragsteller: Dr. Thomas Mühl; Dr. Volker Neu
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543356004

Magnetkraftmikroskopie (MFM) hat sich als äußerst wertvolle Methode für die Untersuchung magnetischer Strukturen auf der Mikrometer- und Nanometerskala etabliert. Dennoch ergeben sich Einschränkungen dadurch, dass das Messsignal prinzipbedingt neben den erwünschten magnetostatischen Wechselwirkungen auch eine Vielzahl weitere Einflüsse enthält, darunter topographische und elektrostatische. Dies erschwert massiv die quantitative Auswertung von MFM-Messungen und führt mitunter sogar zu einer Fehlinterpretation der untersuchten Probeneigenschaften. Daher sind Lösungen gesucht, mit denen nichtmagnetische Artefakte abgeschätzt und im Idealfall sogar korrigiert werden. Mit dem vorliegenden Projekt werden wir MFM-Sonden mit integrierter magnetischer Schaltfunktion entwickeln, die eine automatische Subtraktion der nichtmagnetischen Artefakte ermöglichen. Als Konsequenz des potentiell kleineren Sonden-Proben-Abstandes werden zudem eine bessere räumliche Auflösung und eine höhere magnetische Empfindlichkeit erzielt. MFM-Proben mit einstellbarem, darunter auch reduziertem, magnetischem Moment erlauben zudem Messungen an weichmagnetischen Proben, deren Magnetisierungsstruktur bei Verwendung von Standard-MFM-Sonden oftmals beeinflusst wird. Diese neuartigen Sonden werden die Qualität und Aussagekraft von MFM-Messungen drastisch verbessern und für diese Methode zusätzliche Materialklassen erschließen, deren geringe magnetische Streufelder bei konventionellen MFM-Messungen von chemischen, topografischen oder elektrostatischen Wechselwirkungen überdeckt werden. Um diese Projektziele zu erreichen, entwickeln wir Mikro-Spulen, die in konventionellen Cantilevern mittels angepasster lithographischer Prozesse integriert werden. Dabei betrachten wir verschiedene Spulengeometrien und berücksichtigen insbesondere eine möglichst effektive Wärmeableitung, um Magnetfeldverteilungen zu erzeugen, die eine Magnetisierungsumkehr in den MFM-Sonden ermöglichen. Durch die integrierte Schaltfunktion kann eine Messung unkompliziert mit einem invertierten magnetischen Sondenmoment wiederholt und somit ein rein magnetisches Differenzsignal erhalten werden. Dies kann beispielsweise zeilenweise im Rastermodus passieren. Wir werden das Potential dieser neuartigen MFM-Technologie an zwei aktuellen materialwissenschaftlichen Fragestellungen erproben: zur artefaktfreien magnetischen Mikroskopie von gebogenen magnetischen Nanodrähten mit definiertem Verlauf der Krümmungsradien und zur kontrollierten Manipulation der magnetischen Zustände in magnonischen Kristallen. Von diesem Projekt erwarten wir auch neue Erkenntnisse hinsichtlich von Prozessen der Magnetisierungsumkehr in extrem inhomogenen Magnetfeldern. Wir gehen davon aus, dass sich für MFM als etablierte und vergleichsweise unkomplizierte Methode für magnetische Mikroskopie mit dem angestrebten integrierten Differenzverfahren viele Türen in der Magnetismus-Forschung und der Entwicklung magnetischer Funktionsmaterialien öffnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen