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Nanomagnete präzise vermessen

10.10.2018

Ein neu entwickeltes Mikroskop ermöglicht die Charakterisierung magnetischer Nanostrukturen im Großen wie im Kleinen

 

 

Magnetische Bauteile wie Festplatten oder magnetische Speicherchips werden schon seit Jahren immer kleiner und erreichen bereits heute kritische Größen von wenigen Nanometern (milliardstel Meter). Nur mit derartig kleinen Strukturgrößen können magnetische Datenspeicher mit immer höheren Speicherkapazitäten realisiert werden. Auch in anderen wichtigen Anwendungsbereichen wie der magnetischen Sensorik werden immer kleinere Bauteile benötigt, zum Beispiel für die zuverlässige Detektion einzelner magnetischer Nanopartikel in der Biomedizin. Weiterhin erfordern wichtige Anwendungen in der Industrie die Positionsbestimmung mittels magnetischer Maßstäbe auf Nanometerskalen und eine präzise Vermessung der Maßstäbe über viel größere Längenskalen bis hin zu einigen Zentimetern. Bislang jedoch stand für die präzise Charakterisierung nanomagnetischer Materialien über diesen weiten Größenbereich von einigen Nanometern bis hin zu einigen Zentimetern keine geeignete Messtechnik zur Verfügung.

An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt wurde nun ein Mikroskop entwickelt, das erstmals die präzise Vermessung magnetischer Materialien sowohl im Großen wie im Kleinen ermöglicht. Dafür war PTB-Expertise aus zwei verschiedenen Fachabteilungen erforderlich: Die Abteilung 5, Fertigungsmesstechnik, steuerte ihr Know-How zur präzisen dimensionalen Vermessung von Nanostrukturen bei. Die Basis des neuen Mikroskops bildet eine sogenannte Nanomessmaschine, mit der das Höhenprofil verschiedenster Oberflächen mit Nanometerauflösung über einen Messbereich von 2,5 cm x 2,5 cm gemessen werden kann.

In diese Nanomessmaschine wurde nun eine nanostrukturierte magnetische Messspitze integriert. Derartige Messspitzen werden in der Abteilung 2, Elektrizität, routinemäßig zur ortsaufgelösten Abbildung magnetischer Felder genutzt. Über geeignete Kalibrierroutinen kann aus den so gewonnenen Daten die ortsaufgelöste magnetische Feldstärke bestimmt werden. Da die vom magnetischen Feld auf den Sensor ausgeübte Kraft als Messsignal genutzt wird, wird diese Messmethode auch als magnetische Kraftmikroskopie bezeichnet.

In Kombination mit der oben genannten Nanomessmaschine konnte so erstmals sowohl die Oberflächenstruktur magnetischer Materialien als auch das von der Oberfläche ausgehende Magnetfeld mit Nanometerauflösung über einen Zentimeter-Messbereich vermessen werden. Das neue magnetische Kraftmikroskop mit großem Messbereich steht zukünftig für die Charakterisierung verschiedenster nanomagnetischer Materialien und Systemkomponenten in Grundlagenforschung und Anwendung zur Verfügung.

 

 

Nanomagnetische Dünnschicht Höhenprofile

 

Abbildung:
Vermessung einer nanomagnetischen Dünnschicht mit dem neu entwickelten magnetischen Kraftmikroskop. Das links gezeigte Höhenprofil der Schichtoberfläche ist sehr flach und zeigt nur sehr kleine Höhenunterschiede im Bereich weniger Nanometer. Das rechts gezeigte magnetische Messsignal zeigt demgegenüber etwa 200 nm breite meanderförmige magnetische Domänen.
(Quelle: Review of Scientific Instruments)

 

Weitere Informationen
Metrological large range magnetic force microscopy