Dreidimensional maßgeschneiderte Nanostrukturen auf der Basis magnetisch strukturierter Dünnschichtsysteme

Das Design und die Verwendung von Nanostrukturen stehen in den letzten Jahren zunehmend im Fokus gegenwärtiger Forschung und Entwicklung, da die Dimensionen von Speicher- und Analysetechnik auf dem Weg zunehmender Miniaturisierung längst in den Nanometermaßstab vorgedrungen sind. Eine besondere Herausforderung auf diesem Weg stellt das Maßschneidern von Nanostrukturen sowohl topographisch als auch in ihren funktionalen Eigenschaften in allen Raumdimensionen dar. Gleichzeitig verspricht die Erschließung der dritten Dimension, deutlich mehr Informationen und Funktionalitäten in beispielsweise Nanopartikeln oder anderen Nanostrukturen unterzubringen. Insbesondere die Modifizierung der magnetischen Eigenschaften und die magnetische Funktionalisierung solcher Strukturen ist forschungsrelevant, da dies die Unterbringung vielfältiger Kontroll-, Mess- und Analyseelemente erlaubt und in Form von Dünnschichtsystemen in komplexen Strukturen untergebracht werden kann. Ein Effekt, der hierfür von großem Interesse ist, ist der sogenannte Austauschverschiebungseffekt (engl.: Exchange-Bias). Dieser beruht auf der Kopplung einer ferromagnetischen, wenige Nanometer dünnen Schicht an eine antiferromagnetische und induziert eine zusätzliche unidirektionale magnetische Anisotropie im System. Er kann dazu genutzt werden, komplexere, magnetisch funktionalisierte Nanostrukturen aufzubauen und dreidimensional zu designen. Zunächst aber ist für diesen Effekt der Einfluss benachbarter Atome relevant, weshalb in dieser Arbeit die herstellungsprozessabhängige Vermischung der Grenzflächenatome der am Kopplungseffekt beteiligten Schichten studiert wurde. Hierbei wurde mittels schichttiefenabhängiger Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Messungen eine signifikante Durchmischung an den Grenzflächen beobachtet und quantifiziert. Um auf Basis dieses Dünnschichtsystems komplexere Nanostrukturen in ihren magnetischen Eigenschaften zu modifizeren, wurde Photolithographie verwendet und durch den lokalen Energieeintrag beschleunigter He-Ionen Ummagnetisierungsprozesse in Gang gesetzt, die schließlich zu magnetischen Domänen mit entgegengesetzt ausgerichten Vorzugsrichtungen der magnetischen Momente führten. Die Wände zwischen diesen Domänen sowie die geeigneten Strukturgrößen wurden mit einem Röntgen-Photoemissionselektronenmikroskop an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II studiert, sodass diese künstliche Domänenstruktur schließlich für dreidimensionale Strukturen weiterverwendet werden konnten. Für die Anwendung in dreidimensionalen mikrofluidischen Transportsystemen, die schwache magnetische Felder zum Transport magnetischer Nano- und Mikropartikel nutzen, wurde mittels NanoImprint-Technologie ein Verfahren zur Produktion magnetisch funktionalisierter Partikel genutzt und die Herstellungsparameter sowie das Selbstassemblierungsverhalten der Partikel untersucht und mit der Berechnung der wirkenden Kräfte korreliert. Auf Basis der Studien an planaren Systemen, den ermittelten Limitierungen, Domänenstrukturen und Partikeln wurde ein röhrenförmiges, in Streifendomänen strukturiertes Partikeltransportsystem entwickelt, das es erlaubt, superparamagnetische Mikro- und Nanopartikel auf, durch und neben denselbsen zu bewegen. Hierfür wurden schwache magnetische Wechselfelder genutzt, die zusammenwirkend mit den aus den magnetischen Domänenwänden austretenden magnetischen Streufeldern für den gerichteten Transport superparamagnetischer Kern-Schale-Partikel in einem Paternoster-Mechanismus verantwortlich sind. Die Resultate stellen somit eine umfassende Grundlage und einen wesentlichen Baustein für die Fortentwicklung dreidimensional magnetisch maßgeschneiderter Nanostrukturen und den möglichen Einsatz in biomedizinischen oder informationstechnischen Anwendungen dar.