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Magnetische Felder von Mikro- und Nanostrukturen

Die PTB hat gemeinsam mit der Universität Göttingen ein Verfahren entwickelt, um die Magnetisierung und das Magnetfeld kleinster Strukturen quantitativ und rückgeführt zu bestimmen. Dies wird — in Kombination mit einer magnetooptischen Methode — erstmals rückgeführte magnetische Messungen auch mit der räumlich extrem hoch auflösenden Magnetkraftmikroskopie ermöglichen.

Optisch ermittelte Magnetisierungsverteilung von FePt-Quadern in Falschfarbendarstellung und ein Magnetisierungsprofil einer ca. 10 µm großen Struktur.Optisch ermittelte Magnetisierungsverteilung von FePt-Quadern in Falschfarbendarstellung und ein Magnetisierungsprofil einer ca. 10 µm großen Struktur.

Die magnetischen Streufelder mikroskopischer Strukturen, die größer als etwa 300 nm sind, kann man mit der indikatorgestützten Magnetooptik (MOIF) bestimmen. Dabei wird die Rückführung gewährleistet, indem das Messsignal anhand bekannter makroskaliger Felder kalibriert wird. Um die Magnetisierungsverteilung der Proben daraus zu bestimmen, muss man das gemessene Streufeld mathematisch invertieren. Für dieses Problem, das im Allgemeinen keine eindeutige Lösung hat, war bisher nur für den Spezialfall einer Magnetisierung senkrecht zur Probenebene eine Lösung bekannt. Nun wurde erstmals auch für Magnetisierungen in der Probenebene ein eindeutiges Inversionsverfahren entwickelt.
Sind die Strukturen kleiner als 300 nm, kommt ein streufeldsensitives Magnetkraftmikroskop (MFM) mit einer Auflösung von einigen 10 nm zum Einsatz. Quantitative Streufeldwerte liefert es jedoch nur, wenn seine Übertragungsfunktion mit Referenzproben bekannten Streufeldes bestimmt wurde. Solche Proben auf Basis hartmagnetischer FePt-Filme wurden in der PTB hergestellt. Mittels Elektronenstrahllithographie wurden darauf Teststrukturen unterschiedlicher Form und Größe erzeugt. Aus ihrer Streufeldverteilung – mittels MOIF an entsprechend großen Strukturen gemessen – lässt sich mit der neuen Inversionsmethode die Magnetisierung bestimmen. Daraus kann man wiederum das Streufeld in der Messhöhe der MFM-Tastspitze berechnen und das MFM so kalibrieren.
Mit der nun bekannten, von der Strukturgröße unabhängigen Übertragungsfunktion lassen sich mit dem MFM auch die Streufelder kleinerer Strukturen quantitativ und rückgeführt messen. Eine erneute Anwendung der entwickelten Inversionsverfahren rekonstruiert daraus schließlich wieder die Magnetisierungsverteilungen, diesmal aber bei einer MFM-typischen Ortsauflösung im Nanometerbereich.

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