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Nanomagnete präzise vermessen

Charakterisierung magnetischer Nanostrukturen im Großen wie im Kleinen

PTB-News 2.2019
15.05.2019
Besonders interessant für

Hersteller magnetischer Sensoren und Maßstäbe

biomedizinische Anwendungen

In der PTB wurde ein Mikroskop für die Abbildung magnetischer Nanostrukturen entwickelt, das erstmals eine quantitative Messung magnetischer Feldverteilungen mit Nanometer-Auflösung über zentimetergroße Probenbereiche erlaubt.

Ergebnisse der Messungen an einer nanomagnetischen Dünnschicht, durchgeführt mit dem neu entwickelten quantitativen magnetischen Kraftmikroskop. a): Das Höhenprofil der Schichtoberfläche ist sehr glatt und zeigt nur sehr kleine Höhenunterschiede im Bereich weniger Nanometer. b): Auf dem Messsignal sieht man demgegenüber etwa 200 nm breite meanderförmige magnetische Domänen.

Magnetische Bauteile wie Festplatten oder magnetische Speicherchips werden zunehmend miniaturisiert und erreichen bereits heute Größen von wenigen Nanometern. Nur mit derartig kleinen Strukturgrößen können magnetische Datenspeicher mit immer höheren Speicherkapazitäten realisiert werden. Auch in anderen Anwendungsbereichen wie der magnetischen Sensorik werden immer kleinere Bauteile benötigt, zum Beispiel für die Detektion einzelner magnetischer Nanopartikel in der Biomedizin. Gleichzeitig erfordern industriell wichtige Anwendungen, wie etwa Positionsbestimmung mittels magnetischer Maßstäbe, eine präzise Vermessung der Maßstäbe über große Längenskalen bis hin zu einigen Zentimetern. Bislang stand für die präzise Charakterisierung nanomagnetischer Materialien über diesen weiten Größenbereich keine geeignete Messtechnik zur Verfügung.

Das an der PTB entwickelte Mikroskop verknüpft bei der Vermessung magnetischer Materialien erstmals höchste Auflösung mit einem großen Abbildungsbereich. Dafür kam die Expertise aus zwei verschiedenen Fachabteilungen zum Einsatz: Die Abteilung Fertigungsmesstechnik verfügt über Erfahrung bei der präzisen Vermessung von Oberflächengeometrien. Von hier stammt die Basis des neuen Mikroskops: eine „Nanomessmaschine“, die bisher für die dimensionelle Charakterisierung von Oberflächen mit Nanometerauflösung über Messbereiche von bis zu 2,5 cm × 2,5 cm eingesetzt wurde.

Diese Apparatur wurde um Messmodi zur Abbildung der magnetischen Feldverteilung erweitert, wozu eine nanoskalige magnetische Messspitze verwendet wurde. Solche Messverfahren werden in der Abteilung Elektrizität routinemäßig zur ortsaufgelösten Abbildung magnetischer Felder genutzt. Über geeignete Kalibrierroutinen kann eine quantitative Bestimmung der magnetischen Feldstärke erreicht werden. Das Messprinzip basiert auf der Detektion der Kraft, die das Magnetfeld auf die magnetische Probe ausübt, und wird deshalb als quantitative magnetische Kraft-Mikroskopie (englisch quantitative magnetic force microscopy, qMFM) bezeichnet.

Mit der Nanomessmaschine im qMFMModus konnten nun erstmals sowohl die Oberflächenstruktur magnetischer Materialien als auch das von der Oberfläche ausgehende Magnetfeld mit Nanometerauflösung über einen Zentimeter- Messbereich vermessen werden. Das Messsystem, das sich durch den besonders großen Messbereich auszeichnet, steht zukünftig für die Charakterisierung verschiedenster nanomagnetischer Materialien und Systemkomponenten aus Grundlagenforschung und Anwendung zur Verfügung.

Ansprechpartner:

Gaoliang Dai
Fachbereich 5.2
Dimensionelle Nanometrologie
Telefon: (0531) 592-5127
Opens window for sending emailgaoliang.dai(at)ptb.de


Hans Werner Schumacher
Fachbereich 2.5
Halbleiterphysik und Magnetismus
Telefon: (0531) 592-2500
Opens window for sending emailhans.w.schumacher(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

G. Dai, X. Hu, S. Sievers, A. F. Scarioni, V. Neu, J. Flügge, H. W. Schumacher: Metrological large range magnetic force microscopy. Rev Sci Instrum 89, 093703 (2018)