Funktionale dünne Schichten
Die Teilgruppe Funktionale dünne Schichten untersucht die Modifikation von magnetischen Dünnschichtsystemen durch leichte nichtmagnetische Ionen. Neben entsprechenden grundlegenden Untersuchungen, wie die Ionen Modifikationen im magnetischen System induzieren, entwickeln wir eine Technologie für das Domain-Engineering durch eine Kombination von Lithographie und Licht-Ionen-Beschuss.
Diese Technologie wurde zur Entwicklung von Sensorkonzepten, wie z.B. Winkel- und Magnetfeldsensoren, eingesetzt. Künstlich hergestellte magnetische Domänen führen zu künstlichen Magnetfeldlandschaften (MFLs) über den Domänen. Diese MFLs, die von einem dynamisch variierenden externen Magnetfeld überlagert werden, wurden für eine vollständige Bewegungskontrolle von magnetischen Partikeln verwendet. Gegenwärtig werden Bewegungstypen magnetischer Janus-Teilchen untersucht, nichtmagnetische kugelförmige Teilchen, die von einer magnetischen Kappe mit definierten magnetischen Eigenschaften bedeckt sind, und es gibt Pläne zur Herstellung von Mikroteilchen mit einer definierten 3D-Geometrie. Wir beabsichtigen, diese Partikel in Lab-on-Chip-Anwendungen für die Entwicklung von Diagnosegeräten einzusetzen. Die entwickelte Technologie umfasst Algorithmen des maschinellen Lernens und die Ausnutzung von flüssigkeitsvermittelten Partikel-Oberflächen-Wechselwirkungen, die auf den Nachweis von Krankheitsmarkern abzielen.
Themen
Im Rahmen der Grundlagenarbeit in der Arbeitsgruppe Ehresmann werden hauptsächlich polykristalline austauschverschobene magnetische Dünnschichtsysteme erforscht, welche aufgrund der Kombination dünner antiferromagnetischer sowie ferromagnetischer Materialien eine stabile remanente Magnetisierung unabhängig von der Magnetisierungshistorie aufweisen. Dabei werden die Abhängigkeiten der magnetischen Eigenschaften von Wachstumsparametern der dünnen Schichten sowie thermischen und Ionenbeschuss-induzierten Prozessen erforscht. Der Fokus liegt dabei auf dem Verständnis der Veränderlichkeit inhärenter magnetischer Materialkonstanten, der Ausformung von Domänenstrukturen und dem Verhalten der Schichten bei Ummagnetisierungsprozessen. Anhand der Ergebnisse dieser Untersuchungen können Modelle zur vollständigen Beschreibung der statischen und dynamischen Prozesse in dünnen magnetischen Schichten neu- oder weiterentwickelt werden.
Ausgehend von der Grundlagenarbeit zu austauschverschobenen magnetischen Dünnschichten werden diese Materialsysteme durch gezieltes „Schreiben“ magnetischer (remanent stabiler) Domänen in ein- oder zweidimensionalen Mustern verwendet, um anwendungsorientiert mikroskopische magnetische Streufeldlandschaften zu designen. Dazu wird das in der Gruppe etablierte Verfahren der ionenbeschussinduzierten magnetischen Strukturierung genutzt. Hierbei werden Heliumionen in einer Vakuumkammer beschleunigt (Beschleunigungsspannung standardmäßig bei 10 kV) und treffen entweder in An- oder in Abwesenheit eines Magnetfeldes an definierten Positionen auf die magnetische Probe, sodass diese ausgewählten Bereiche lokal magnetisch modifiziert werden können. So entstehen beispielsweise Domänenmuster mit antiparallel zueinander ausgerichteten Magnetisierungen in den jeweils benachbarten Domänen, die infolgedessen von einer sogenannten 180°-Domänenwand getrennt werden. Die hier austretenden magnetischen Streufelder werden im Folgenden räumlich charakterisiert und für diverse Anwendungen nutzbar gemacht.
Dieser Forschungsbereich konzentriert sich auf die Entwicklung von Mikrostrukturen sowie partikulären Systemen mit definierten magnetischen Eigenschaften, hauptsächlich durch die Abscheidung von dünnen magnetischen Schichten auf Objekten unterschiedlichster Form und Krümmung. Von besonderem Interesse ist hierbei die experimentelle und theoretische Untersuchung des Wechselspiels zwischen geometrischer Gestalt und magnetischer Anisotropie (insbesondere der unidirektionalen Anisotropie in austauschverschobenen Systemen) und der daraus resultierende Einfluss auf dreidimensionale Magnetisierungsverteilungen. Das gezielte Einstellen definierter Magnetisierungszustände in magnetischen Mikroobjekten ermöglicht die Anpassung an spezifische Anwendungen, beispielsweise in der Biosensorik.
Aus unseren Forschungsaktivitäten in der Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien und Partikelklassen sowie in der Maßschneiderung mikroskaliger magnetischer Streufeldlandschaften oberhalb von topographisch flachen Substraten ergeben sich vielfältige Synergien im Anwendungsbereich. So arbeiten wir intensiv an der Realisierung einer Technologieplattform für sogenannte Westentaschenlabore (englisch Lab-on-a-chip) basierend auf der kontrollierbaren Aktuierung magnetischer Mikro- oder Nanoobjekte innerhalb der erzeugten magnetischen Streufelder über ein dynamisches Wechselspiel mit zeitlich variierten äußeren makroskopischen Magnetfeldern. Von Interesse ist hierbei der Einsatz dieses Verfahrens in der Erkennung, Aufreinigung und sensorischen Erfassung von medizinisch relevanten Biomolekülen. Im Fokus der Untersuchungen steht u.a. der Einfluss der magnetischen Substratstruktur (1D, 2D oder 3D), der herrschenden Oberflächenkräfte, sowie eine gewünschte Biofunktionalisierung auf die Transporteigenschaften der magnetischen Objekte. Ebenfalls ist es unser Ziel künstlich hergestellte magnetische Streufelder zur gezielten Assemblierung magnetischer Partikel in verschiedensten Medien einzusetzen, um somit beispielsweise magnetisch schaltbare optische Gitter oder biomimetische Hybridmaterialien zu verwirklichen.