Theorie nanostrukturierter magnetischer Materialien

Nanostrukturierte magnetische Materialien (ultradünne Schichten, Multischichten oder Supergitter, Nanodrähte, geordnete Ensembles kleiner Cluster - "quantum dots") stellen ein wesentliches Element bei der Entwicklung elektronischer Komponenten und DatenSpeicher Medien dar. Das im Entstehen begriffene Konzept der "Spintronik" basiert auf der Tatsache, daß Elektronen nicht nur eine Ladung, sondem auch einen Spin besitzen und erfordert die Herstellung nanodimensionierter Materialien mit maßgeschneidert magnetischen Eigenschaften. Die Modellierung nanostrukturierter Magnete stellt eine bedeutende Herausforderung an die Festkörpertheorie und die rechnergestützte Materialforschung dar. Auf der Nanometer- Skala besitzen magnetische Materialien oft Eigenschaften die sich drastisch von denen des makroskopischen Materials unterscheiden. Lokale Information wie etwa das magnetische Profil einer ultradüunnen Schicht oder die Austausch-Kopplung zwischen parallel angeordneten Nanodrähten ist einem Laboratoriums-Experiment nicht direkt zugänglich, kann aber mit hoher Genauigkeit mit Hilfe moderner Spin-DichteFunktional Methoden berechnet werden. In den vergangen Jahren haben diese Techniken wesentlich zur Erweiterung unserer Kenntnisse über dünne magnetische Schichten und Multischichten beigetragen, viele Frage bleiben aber noch offen. Das Ziel des hier vorgelegten Projekts ist es, diese Studien fortzusetzen und auszudehnen: wir möchten mehr über die Faktoren lernen, die die atomare und magnetische Struktur von dünnen Schichten, Nanodrähten und Clustern bestimmen indem wir die atomare Beweglichkeit untersuchen und dadurch über die energetische Optimierung hinaus Zugang zu kinetischen Faktoren erhalten. Darüber hinaus sollen magnetische Anisotropie, Austausch-Kopplung, magnetische Fluktuation und Anregungen, sowie elektronische Transportprozesse in nanostrukturierten Materialien untersucht werden. Wir hoffen auf diese Weise den Weg zu einem rechnergestützten Entwurf nanostrukturierter magnetischer Materialien beizutragen.

Die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter magnetischer Materialien (ultradünne Schichten, Nano-Drähte und Cluster) bildet das Fundament für die weitere Entwicklung von Materialien für magnetische und magneto-optische Bauteile in der Mikroelektronik und für magnetische Informationsspeicher. Im abgeschlossenen Projekt wurden moderne quantenmechanische, auf der von Walter Kohn entwickelten Dichte- Funktional-Theorie (DFT) beruhende Methoden zur Untersuchung dieser Systeme angewandt. Die numerische Berechnung der physikalischen Eigenschaften, sowie die mathematische Simulation von Prozessen spielt hier eine besonders wichtige Rolle, weil das Experiment nicht alle Informationen mit der notwendigen atomaren Auflösung bereitstellen kann. Ein besonders wichtiger Aspekt ist dabei, daß viele Materialien in der Nanowelt ganz andere physikalische Eigenschaften besitzen als in makroskopischen Dimensionen. Die Erforschung dieser spezifischen Eigenschaften von magnetischen Nanomaterialien war eine der Haupt-Stoßrichtungen dieses Projekts. Wesentliche Ergebnisse der Arbeiten sind: (i) Kleine molekülähnliche Cluster von Übergangsmetall-Atomen sind oft auch dann magnetisch, wenn das Nietall selbst unmagnetisch ist - Beispiele sind Cluster aus Rh, Pd, und Pt. Die geometrischen und magnetischen Strukturen der Cluster hängen eng zusammen. (ii) Ultradünne Nanodrähte die nur aus einer oder zwei Reihen von Atomen bestehen, können an den Stufenkanten kristalliner Substrate gebildet werden. Die eindimensionale Struktur und die durch das SubstratMaterial aufgeprägte Spannung in den Nanodrähten bestimmen den magnetischen Grundzustand, die magnetische Kopplung zwischen den Drähten wird durch die Kopplung über das nicht-magnetische Substrat bestimmt. (iii) Durch die epitaktische Beziehung zwischen Substrat und ultradünner Schicht können Strukturen stabilisiert werden, die unter Normalbedingungen instabil sind, eine geringe Fehlanpassung zwischen Substrat und Film kann zur Ausbildung komplexer Überstrukturen führen. (iv) Die reduzierte Dimension und die Wechselwirkung mit dem Substrat können zu höchst unerwarteten magnetischen Eigenschaften führen: die ferromagnetischen Metalle Eisen und Kobalt können in Nanodrähten und ultradünnen Schichten antiferromagnetisch, das antiferromagnetische Metall Mangan ferromagnetisch werden.