Magischer Springbrunnen: Exponat zum Verhalten von Ferrofluiden

Vom 19. bis 23. April 2010 wurden auf der Hannover Messe Branchentrends, neue Technologien und Materialien präsentiert. Auch in diesem Jahr war CeNIDE, das Center for Nanointegration der Universität Duisburg-Essen, wieder mit Exponaten auf der weltgrößten Industriemesse vertreten. Auf dem Gemeinschaftsstand des NRW Landesclusters „NanoMikro+Werkstoffe.NRW“ in der Research & Technology Halle zeigte das Cluster-Gründungsmitglied CeNIDE Chancen auf, die sich durch die Nanotechnologie und ihre möglichen Anwendungen ergeben. Auf besonders großes Interesse stieß der Ferrofluid-Brunnen, den Dipl.-Phys. Florian Römer aus unserer Arbeitsgruppe konstruiert hatte. Der Brunnen zeigte, wie sich eine Flüssigkeit, die winzige (10 Nanometer große) magnetische Partikel enthält, durch einen Elektromagneten beeinflussen lassen. Auch Dr. Michael Stückradt (Staatssekretär im Ministerium für Innovation, Wissenschaft, Forschung und Technologie des Landes Nordrhein-Westfalen) zeigte sich beim Besuch des CeNIDE-Stands begeistert von dem Ferrofluid-Brunnen (siehe Foto).

Spatially resolved ferromagnetic phase transition

Para-/ferromagnetic phase transitions require an infinite geometry in idealized theoretical descriptions. In experiments the extensions of a magnetic film are always limited. The question arises how the thickness dependent phase transition – well known in ultrathin ferromagnetic films – behaves when different phases interact in a wedge-type structure. To address this question we performed the first spatially resolved ac susceptibility measurements on epitaxial Fe films as a function of the temperature with a resolution of few tens of nanometers in an x-ray photoelectron emission microscope.

As a function of thickness the curie temperature changes due to finite size effects. Our measurements were done on a wedge like structure of 10 to 0 atomic layers (ML) of Fe (see figure 1). The ac-signal appearing at the phase transition allows to estimate the spatial extend of the phase transition region and the correlation length, which would be diverging in infinite system.

In figure 2 a typical ac-susceptibility image is shown. The "full with at half maximum" of the dark grey susceptibility signal extends about 0.7 µm. At this magnification one pixel is equal to 30 nm. The resolution of the PEEM is about 15 nm, which is not influenced by the design of our new sample holder and measurement technique.

Future work is planned to measure the element-specific curie temperature of nano structured films , single nanoparticles and dipolar coupled nanomagnets.

Acknowledgement:
The work was supported by the Sonderforschungsbereich SFB491, DFG and the Helmholtzzentrum Berlin, Bessy II. We would like to thank H. Zähres for technical support and K. Ollefs and A. Ney for SQUID measurements.

Principal Publication and Authors
F. M. Römer¹, F. Kronast², L. Heyne³, C. Hassel¹, A. Banholzer¹, M. Kläui³, R. Meckenstock¹, J. Lindner¹, and M. Farle¹ Applied Physics Letters 96, 122501 (2010)
DOI: 10.1063/1.3360205

1 Fakultät für Physik, Universität Duisburg-Essen (Germany)
2 Helmholtzzentrum Berlin (Germany)
3 Department of Physics, University of Konstanz (Germany)

Zwischen zwei magnetischen Domänen bildet sich eine Domänenwand, die durch eine inhomogene Verteilung magnetischer Momente gekennzeichnet ist. Die Frage war, ob eine Domänenwand einen elektrischen Widerstand darstellt und wie groß er ist. Die Analyse experimenteller Untersuchungen wird dadurch erschwert, dass auch andere Widerstandsbeiträge auftreten können. Zudem wurden von theoretischer Seite sowohl positive als auch negative Widerstandsbeiträge für den Domänenwandwiderstand vorhergesagt.

Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, den Widerstand einer einzelnen Domänenwand bei Zimmertemperatur quantitativ zu bestimmen. Abb. 1 zeigt eine SEM Aufnahme von der Mikrostruktur zur Messung des elektrischen Widerstandes. Im unteren Bild erkennt man eine horizontal verlaufende Leiterbahn (Breite 313 nm) aus (Co/Pt)7-Multilagen. Die in der Bildmitte senkrecht eingezeichnete gestrichelte Line deutet die Stellen an, an denen Ga Ionen mittels FIB implantiert wurden. Rechts und links von dieser Stelle befindet sich jeweils eine Platin Leiterbahn. Weiter außen liegen Gold-Streifen zur Messung des Widerstandes.
Die Ga-Ionen modifizieren die (Co/Pt)7-Leiterbahnen lokal so, dass sich an dieser Stelle eine Domänenwand bildet. Mit Hilfe der Platin Leiterbahn kann die Bewegung der Domänenwand gestoppt werden.

Abb. 2a zeigt eine AFM Aufnahme von der lokalen geometrischen Struktur in der Umgebung der Stelle, an der Ga Ionen implantiert wurden (gepunktet Linie) Abb. b-f zeigen MFM Aufnahmen bei Anlegen unterschiedlich hoher Magnetfelder, die senkrecht zur Schichtebene angelegt wurden. Heller Kontrast bedeutet, dass die Leiterbahn nach oben, dunkler Kontrast, dass die Leiterbahn nach unten magnetisiert ist. Deutlich erkennt man, dass der Kontrastwechsel (Position der Domänenwand) am Rand der Platin Leiterbahn liegt. Wir beobachten, dass in der Regel zwei Domänenwände gepinnt werden. Durch Verwendung einer einzelnen Platin Leiterbahn wird nur eine Domänenwand gepinnt. Abb. 3 zeigt den Widerstand, gemessen gemäß der Struktur in Fig. 1, in Abhängigkeit eines senkrechten Magnetfeldes. Die Maxima im Widerstand treten auf, wenn eine Domänenwand gepinnt wurde. Die MFM Bilder (insets)  zeigen den magnetischen Zustand der (Co/Pt)7 Leiterbahn an. Bei hohen Feldern und in Remanenz beobachtet man einen homogenen Kontrast.  Aus dem Widerstandsanstieg DR lässt sich der Domänenwandwiderstand einer einzelnen Domänenwand ausrechnen: (DR/R)DWR = (1.8 ± 0.2)%

[1] C. Hassel, M. Brands, F. Y. Lo, A. D. Wieck, G. Dumpich, Phys. Rev. Lett. 97, 226805 (2006)

Abbildung 3: Magnetowiderstandsmessung bei Zimmertemperatur an der in Abbildung 1 gezeigten Struktur. Deutlich zu erkennen sind die Widerstandsmaxima, die darauf zurückzuführen sind, dass sich eine einzelne Domänenwand in der Leiterbahn befindet. Die Berechung des Widerstandsanstieges innerhalb der Domänenwand ergibt 1.8%.

Fe_xPt_1-x nanoparticles are currently the subject of intense research activity due to their interesting magnetic properties [1]. Chemically disordered Fe₅₀Pt₅₀ shows a high-temperature transformation to the ordered L1₀ phase which is associated with an enhancement of the orbital magnetic moment and a decrease of the mean distance between nearest-neighbour atoms by 2%. Therefore, on the one hand the x-ray absorption near edge structure (XANES) was analysed at the Pt L_3,2 edges to monitor structural changes, and on the other hand the x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) was measured both at the Fe and Pt L_3,2 edges in order to investigate the orbital magnetism after thermal treatment.

The wet-chemically synthesised Fe50Pt50 particles with a mean diameter of 6 nm were self-assembled on a naturally oxidised Si substrate (total coverage: about 10%) and exposed to a soft hydrogen plasma (5 Pa for 30 min) that removes the Fe oxides and the organic ligands surrounding the particles in the as-prepared state (Figure 1). Subsequently one of the samples was annealed at 600°C in situ. Scanning electron microscopy (SEM) images confirm the mean size, the centre-tocentre distance of 9 nm and a small agglomeration after annealing.

For measurements at the Pt L_3,2 edges, the UHV plasma chamber was attached to the experimental chamber at beamline ID12 and the Fe oxides were removed prior to the experiments. In order to be able to record high quality XANES and XMCD spectra at the Pt L_3,2 edges on samples with such a low concentration of Pt, we have used a 35-channel silicon drift diode detector developed at the ID12 beamline in collaboration with Eurisys- Mesures (now Canberra Eurisys) [2]. During these experiments the counting rates in Pt L_a lines were ca. 2·104 cps per channel with a peaking time of 0.5 µs. Even though the X-ray beam was impinging on the sample with an angle of incidence of ca. 15°, the beam footprint was quite small: 300x30 µm². This is because we had to reduce the intensity of the monochromatic X-rays in order to avoid the saturation of the detector by the intense soft X-ray fluorescence signal from the substrates. The typical energy resolution of the emission spectra measured with one single SDD channel (data acquisition time: 60s; peaking time: 0.5 µs) was of the order of 132 eV for the unresolved Si Kab, 159 eV for the Fe Ka line and 202 eV for the Pt L_a1 line. Excellent performances of this detector allowed us to record not only the XANES spectra, but also the XMCD signals at the Pt L_3,2 edges in a weak magnetic field of ± 0.6 T (Figure 2b). The quality of the experimental data was high enough to derive the local spin and orbital magnetic moments of the Pt 5d states using the XMCD sum rules. The results of this analysis together with the analysis of the spectra recorded at BESSY, Germany, on the same samples at the Fe L_3,2 edges are given in Table 1. The observed trends in µ_l / µ_S ^eff indicate a non-cubic environment after annealing as expected for the L1₀ structure. Additionally, we found that the period of the first EXAFS oscillations at the Pt L_3,2 edges decreased by (3±2)% after annealing indicating a reduction of the mean distance between the atoms as known for the disorderorder transformation in the corresponding bulk material. In conclusion, we demonstrated a method to prepare pure metallic Fe₅₀Pt₅₀ nanoparticles from wet-chemically synthesised particles. Evidence for the formation of the L1₀ phase is provided both by structural changes found in the oscillations of the XANES and by the changes in the magnetic moments.

Table 1: Local spin and orbital magnetic moments for Fe and Pt.

Acknowledgement:
This work was supported by the BMBF (05 ES3XBA/5), the DFG (SFB445), the EU (MRTN-CT-2004-005566, SyntOrbMag), and the ESRF.

References
[1] C. Antoniak, J. Lindner, and M. Farle, Europhys. Lett. 70, 205 (2005).
[2] J. Goulon, A. Rogalev, G. Goujon et. al., J. Synch. Rad. 12, 57 (2005).

Principal Publication and Authors
C. Antoniak (a), J. Lindner (a), M. Spasova (a), D. Sudfeld (a), M. Acet (a), M. Farle (a), K. Fauth (b,c), U. Wiedwald (d), H.-G. Boyen (d), F. Wilhelm (e), A. Rogalev (e), and Shouheng Sun (f)
Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 117201.

(a) Fachbereich Physik, Universität Duisburg-Essen (Germany) (b) MPI für Metallforschung, Stuttgart (Germany) (c) Experimentelle Physik IV, Universität Würzburg (Germany) (d) Abteilung Festkörperphysik, Universität Ulm (Germany) (e) ESRF (f) Department of Chemistry, Brown University, Providence, RI (USA)

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Silicat-gepaselte Kobalt Nanopartikel mit Durchmessern von 20 bis 30nm zeigen bei ihrer Synthese selbstorganisierte Strukturen mit ketten- und ringartigen Formationen, wenn während der Synthese schwache Magnetfelder angelegt werden (Abb.1). Verantworlich für diese selbstorganisierte Formation der Nanopartikel ist die magnetische Dipol-Dipol Wechselwirkung. Als unterer, kritischer Durchmesser der Nanopartikel für eine solche energetisch stabile Ketten-Formation wird bei der verwendeten Temperatur etwa 12nm gefunden. Mit der Methode - obwohl sehr einfach - lassen sich Perlenketten-ähnliche Strukturen erzeugen, die ansonsten nur mit viel aufwändigeren Prozessen hergestellt werden können. Molekulardynamik Simulationen, bei denen die dipolaren magnetischen Kräfte berücksichtigt werden, erlauben eine sehr gute Reproduktion der selbstorganisierten Strukturen, wie sie im Experiment beobachtet werden (Abb.2).

One-dimensional Assemblies of silica-coated cobalt nanoparticles;
Magnetic Pearl-Necklaces
Verónica Salgueirino-Maceira, Miguel A. Correa-Duarte, Fred Hucht ,
Michael Farle
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, im Druck

Fe₃C (Zementit) ist ein herkömmlicher Bestandteil von Stahl und dient zu dessen Härtung. Sein Gefügeanteil kann durch verschiedene Temperprozesse variiert werden, wobei Kohlenstoff-Atome interstitiell in das atomare Eisen-Gitter eingebaut sind, dessen Struktur orthorhombisch ist (Fig.1). Der gewünschte Anteil von Fe₃C in Stahl wird durch die spezifische, spätere Anwendung bestimmt.

Neben seiner zentralen Bedeutung für die Herstellung verschiedener Stahlsorten, hat Fe₃C vor allem wegen seiner besonderen Eigenschaften in letzter Zeit neue Aufmerksamkeit für die Grundlagenforschung erlangt. Zum einen ist Fe₃C unterhalb der sog. Curie-Temperatur (T_C = 485 K) ein Ferromagnet. Andererseits zeigt Fe₃C im Bereich von Zimmertemperatur eine nahezu verschwindende thermische Ausdehnung. Der Grund für diese verschwindende thermische Ausdehnung kann für magnetische Materialien in vielen Fällen auf sogenannte "high-moment-large-volume - low-moment-small-volume (HM-LM)" Übergänge, oder auch "Magnetovolumen Instabilität" genannt, zurückgeführt werden. Der HM-Zustand ist mit einem großen atomaren Volumen und einem magnetischen Moment von typisch 2 µB (µB: Bohrsches Magneton) verknüpft, während der (energetisch geringfügig über dem HM-Zustand liegende) LM-Zustand ein kleines atomares Volumen mit nahezu verschwindendem magnetischen Moment besitzt. Mit steigender Temperatur wird daher der LM-Zustand mit kleinerem Volumen zunehmend besetzt. Der Magnetismus liefert hier also bei steigender Temperatur einen Beitrag zur thermischen Ausdehnung, der das Material "schrumpfen" lässt. Dies wirkt der normalen thermischen Ausdehnung entgegen, so dass im Resultat eine nahezu verschwindende thermische Ausdehnung über einen großen Temperaturbereich besteht. Dieser Effekt ist als sog. "INVAR-Effekt" bekannt.

Wenn ein System über HM und LM-Zustände verfügt, dann sollte es mit Hilfe eines von außen angelegten Drucks möglich sein, das System auch in den LM-Zustand mit kleinem Volumen zu zwingen, so dass das magnetische Moment verschwindet. Wenn der dazu benötigte Druck außerdem sehr klein ist, dann hätte man ein (neues) Material, das solche HM-LM Übergänge bereits dann ausführen würde, wenn man nur mit einem Hammer darauf schlägt. Diesen Effekt könnte man zur Konstruktion "magneto-mechanischer" Schalter ausnutzen, wobei dann weder elektrische Verdrahtungen noch Kontroll-Schaltkreise benötigt werden. Neben der verschwindenden thermischen Ausdehnung hätte man so eine weitere wichtige technologische Anwendung für diese HM-LM Übergänge.

Um zu zeigen, dass die verschwindende thermische Ausdehnung in Fe₃C auf HM-LM Übergänge zurückzuführen ist, wurde die Druckabhängigkeit des magnetischen Momentes von Fe₃C studiert, das dann oberhalb eines kritischen Druckes verschwinden sollte. Zur Anwendung hydrostatischer Drücke werden Diamant-Zellen verwendet. Zur Messung des magnetischen Momentes können wegen der Größe der Diamant-Zelle und der darin verwendeten Materialien keine Standardmethoden der Magnetometrie verwendet werden. Statt dessen werden die Vorteile der magnetischen Röntgen-Absorptions-Techniken ausgenutzt. Für den Fall magnetischer Materialien zeigen links und rechts zirkular polarisierte Röntgenstrahlen nahe der Absorptionskante verschiedene Absorptionsspektren. Der Unterschied in diesen Spektren ist als magnetischer Röntgen-Zirkular-Dichroismus (XMCD) bekannt, wobei das integrierte Spektrum proportional zum magnetischen Moment ist. Dabei kann der Röntgenstrahl die Diamanten durchdringen, und "sieht" damit nur die zu untersuchende Probe.

Fe₃C Proben, in der Form etwa 50nm großer Partikel (Fig.2), die in einem Heißwandreaktor präpariert wurden, werden in einen Probenhalter eingebracht, der zwischen einem Paar von Diamanten positioniert wird. Röntgen-Absorptionsspektren werden für links und rechts zirkular polarisierte Röntgenstrahlung in der Nähe der K-Kante von Eisen bis zu Drücken von 20 GPa gemessen. Fig. 3 zeigt XMCD Spektren für verschiedene Drücke. Mit zunehmendem Druck wird die Intensität der gemessenen Spektren kleiner. Fig. 4 zeigt die gemessene Fläche unter den in Fig. 3 gezeigten Spektren (das integrierte XMCD-Signal) für jeden angelegten Druck, und man erkennt, dass die Schwächung der Spektren nicht monoton erfolgt, sondern relativ abrupt in der Nähe eines Drucks von 10 GPa. Dies zeigt die Existenz eines LM-HM Übergangs in Fe₃C.

Damit ist Fe₃C das erste bekannte INVAR-Material, das nur eine einzige Metallsorte, Eisen, mit interstitieller Kohlenstoff-Komponente enthält. Es ist das bei weitem billigste Material für Anwendungen, und eröffnet darüber hinaus Möglichkeiten, neue Typen interstitieller Systeme unter Verwendung von z.B. Bor und Stickstoff so Maß zu schneidern, dass sie ebenfalls Magnetovolumen-Effekte zeigen.

Diese Arbeit erscheint in Kürze in den Physical Review Letters.

Lange bekannt, und dennoch wenig verstanden, zumindest wenn es um die mikroskopischen Ursachen und Zusammenhänge geht. Das Phänomen der Elektromigration, also ein durch den Stromtransport hervorgerufener Materialtransport in Leiterbahnen, der letztlich zur lokalen Zerstörung der Leiterbahnen führt.

Systematische in-situ elektronenmikroskopische Untersuchungen zum Verständnis der Elektromigration in Leiterbahnen aus Gold mit Abmessungen im Nanometerbereich werden in der Arbeitsgruppe von Prof. Günter Dumpich von Burkhard Stahlmecke durchgeführt. Von besonderem Interesse ist dabei das Auftreten von Elektromigration an vorgegebenen Engstellen (wie im Bild links) und kreisförmigen Aussparungen. Leiterbahnen mit vorgegebener Topologie und Abmessung werden dazu mit Elektronenstrahllithographie und lift-off Technik hergestellt. Typische Abmessungen der Leiterbahnen sind Länge l = 10 µm, Breite b = 1 µm und Schichtdicke t = 30 nm mit Engstellen von 500 nm und kleiner. Wie in der Animation (links) zu sehen, wird für solche Leiterbahnen gefunden, daß eine Voidbildung (also der Wegtransport von Material) - wie erwartet - vermehrt in der Nähe der Engstelle oder einer Aussparung stattfindet Überraschenderweise bilden sich die zugehörigen Hillocks (also die Anhäufungen des wegtransportierten Materials) in der Engstelle, also in einem Gebiet mit der höchsten Stromdichte.