Herstellung von magnetischen Metamaterialien durch Ionenstrahl Lithographie

Magnetische Strukturierung im Nanometer Bereich hat ein großes Potenzial in der Entwicklung neuartiger Systeme und Materialien. Nanostrukturierte magnetische Materialien zeigen Eigenschaften wie sie im Festkörper nicht erreicht werden können. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden diese Materialien oft Metamaterialien genannt. Direktes Schreiben von magnetischen Mustern durch einen fokussierten Ionenstrahl ist ein einstufiges Verfahren, dass gegenüber herkömmlichen mehrstufigen Lithographieverfahren vorteilhaft ist. Verschiedene Ansätze zur ionenstrahlinduzierten magnetischen Strukturierung wurden untersucht, beispielsweise Änderung der magnetischen Anisotropie, Koerzitivkraft oder der Magnetisierung des Materials. Die Gruppe in Wien hat in den letzten Jahren gezeigt, wie man metastabile Schichten von fcc Fe aufwächst bei denen durch Ionenbeschuß eine magnetische(Paramagnetisch->Ferromagnetisch) und kristallographische (fcc->bcc) Phasen Transformation statt findet. Diese Filme stellen eine ideales System dar, in dem ferromagnetische Elemente selektiv durch fokussierte Ionenstrahlen in eine paramagnetische Schicht geschrieben werden können. Das Ziel des Projektes ist es, das Potenzial der Ni- stabilisierten fcc Fe-Dünnfilme für Ionenstrahl - induzierte magnetische Strukturierung zu nutzen und somit nanostrukturierte magnetische Metamaterialien herzustellen . Derzeit sind wir in der Lage, Ni- stabilisiert fcc Fe Filme auf Cu (100)- Kristallsubstrate aufzuwachsen. Die Notwendigkeit der Cu -Einkristallsubstrat als Keim für das Wachstum der metastabilen fcc Fe Filme begrenzt ihre Verwendung aus ( wirtschaftlichen ) Gründen. Wir planen, das Abscheidungsverfahren dieser Filme auf verschiedenen Arten von Substraten, einschließlich Halbleiter, dielektrische und auch oxidischen Materialien wie Perowskit-Oxiden zu übertragen. Für das Wachstum von fcc Fe -Filme, muss das Substrat eine enge strukturelle Übereinstimmung mit den Gitterparameter des Films zeigen. Um das fccWachstum zu ermöglichen soll eine dünne Cu -Pufferschicht zwischen dem Substrat und dem metastabilen Fe-Film platziert werden. Die möglichen Kandidaten für ein Substrat sind Si (100) (mit einem Cu- Pufferschicht), Diamant C (100) und Perowskit- Oxide SrTiO3; und LaAlO3. Die so hergestellten Filme werden dann durch fokussierte Ionenstrahlen strukturiert und die (magnetische) Auflösung des Verfahrens und seine Abhängigkeit von der Ionenmasse , Ionenenergie und Art des Substrates werden untersucht. Am Ende soll die Fähigkeit der Methode demonstriert werden, nanostrukturierte Materialien mit Eigenschaften wie sie im kontinuierlichen magnetischen Dünnfilmen unerreichbar sind, zu erzeugen (zB magnonische Kristalle).

Magnetische Strukturierung im Nanometer-Bereich hat ein großes Potenzial für die Entwicklung neuartiger Systeme und Materialien. Nanostrukturierte magnetische Materialien zeigen Eigenschaften, die im Festkörper nicht erreicht werden können. Im Projekt "Herstellung von magnetischen Metamaterialien durch Ionenstrahl-Lithographie" wurde ein neuartiges Verfahren untersucht, mit dem solche Nanostrukturen erzeugt werden können. Hierbei wird eine metastabile, nichtmagnetische Eisen-Nickel-Legierung mit einem fokussierten Ionenstrahl so verändert, dass das Material ferromagnetisch wird. Auf diese Weise können magnetische Strukturen mit einer Auflösung im Bereich von 100 Nanometern erzeugt werden. Im Rahmen des Projekts wurde nicht nur dieses Herstellungsverfahren optimiert und für verschiedene magnetische Nanostrukturen eingesetzt, sondern es wurde auch eine Möglichkeit gefunden, die magnetische Anisotropie, also die möglichen Richtungen des Magnetfelds in diesen Nanostrukturen gezielt zu steuern. Derzeit bietet keine andere Methode für die Erzeugung magnetischer Nanostrukturen diese Möglichkeit, und es ergeben sich daraus zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Diese Erkenntnisse, zusammen mit den günstigen magnetischen Eigenschaften des Materials, werden es ermöglichen, neuartige Bauelemente, die auf magnetischen Spinwellen beruhen, herzustellen.