05.12.2007
Wenn die Partikelgröße eines ferromagnetischen Materials so klein wird, dass die Ausbildung von zwei Domänen infolge der dazwischen liegenden Wand zu energieaufwändig ist, erhält man Eindomänenpartikel. Diese lassen sich magnetisch als Punktdipole mit einem Makrospin beschreiben. In einem Ensemble kann die dipolare Wechselwirkung zu kollektiven Effekten führen. Im Fachbereich Halbleiterphysik und Magnetismus wurden zweidimensionale Anordnungen, d.h. dünne Schichten aus magnetischen Nanopartikeln (MNPs) untersucht. Dabei lag der Fokus auf der Fragestellung, welchen Einfluss externe Störfelder auf die magnetische Struktur der Schichten haben.
Numerische Simulationen zeigen, dass die Wechselwirkung in ungestörten Monolagenschichten dazu führt, dass die Filme eine Magnetisierung in der Filmebene und eine Domänenstruktur mit abgeschlossenem Flussmuster aufweisen. Multilagenfilme weisen ebenfalls eine Domänenstruktur auf, jedoch steht die Magnetisierung senkrecht zur Filmebene. Als externe Störung wurde nun ein Dipolfeld betrachtet. Solche Felder treten zum Beispiel auf, wenn magnetische Strukturen mit der magnetischen Spitze eines Magnetkraftmikroskops abgerastert werden. Es zeigt sich, dass das Störfeld lokal zu einer Ausrichtung der magnetischen Momente der Nanopartikel führt, d.h. zu einer Auslöschung der Domänenstruktur. Dies hat u.a. zur Folge, dass die ungestörte Gleichgewichtsdomänenstruktur bei Untersuchungen mit dem Magnetkraftmikroskop nicht beobachtet wird. Tatsächlich findet man bei MFM-Aufnahmen von Inseln aus MNP-Monolagen einen homogenen Kontrast im Inneren der Insel, s. Bild 1. Am Rand und an Defektstrukturen ist der Kontrast aufgrund der fehlenden Nachbarpartikel überhöht. Multilagenfilme hingegen sind gegen Störungen robuster in dem Sinne, dass zur Auslöschung der Domänenstruktur ein höheres Feld erforderlich ist als bei den Monolagenfilmen. In MFM-Aufnahmen lässt sich deshalb mit der gleichen Sonde noch eine schwache Domänenstruktur beobachten. Diese Ergebnisse sind wichtig für die korrekte Interpretation von MFM-Bildern.
Bild 1:
Magnetkraftmikroskopische Aufnahme einer Insel aus Magnetit-Nanopartikeln auf einem Siliziumsubstrat. Das rechte Teilbild zeigt eine transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme der Partikel.