Fortschrittliche Mikroskopietechnik zur Charakterisierung magnetischer Eigenschaften von intelligenten Materialien
Auf dem Gebiet der Materialforschung bieten intelligente bzw. funktionelle Materialien bahnbrechende Möglichkeiten, da ihre physikalischen/chemischen Eigenschaften an jeweilige Umgebungsbedingungen angepasst werden können. Für die moderne Gesellschaft kommt ihnen grundlegende Bedeutung zu, da sie quasi in allen technischen Geräten zu finden sind, von Smartphones und Computern bis hin zu Satelliten und Autos. Laut Mooreschem Gesetz gilt für die Elektronikbranche bislang, dass neue Generationen integrierter Silizium-Schaltkreise immer kleiner, kompakter und leistungsstärker werden. Obwohl diese Mikrochips Bestandteil nahezu aller digitalen Geräte sind, wird deren Leistung allerdings bald an ihre Grenzen stoßen. „So wird an neuen Arten funktioneller Materialien geforscht, denn Silizium hat für die immer kleiner werdenden Chips bald ausgedient“, erläutert Magnus Nord, Hochschuldozent am Institut für Physik der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie. „Magnetische Materialien sind insofern besonders, als sie verschiedenste ‚intelligente‘ Fähigkeiten haben. Ihre magnetische Reaktion auf externe Magnetfelder macht sie für vielfältigste Anwendungen wie Datenspeicherung, Kommunikation und Sensortechnik geeignet. Da entsprechende Geräte oft aus komplexen magnetischen Materialien bestehen, müssen deren Eigenschaften auf Nanoebene charakterisiert werden. Auf dieser Nanoebene nun kommt die faszinierende Welt der Quantenmechanik ins Spiel“, erklärt Nord.
Neue Fortschritte bei der Nano-Bildgebung funktioneller Eigenschaften
Da es noch an geeigneten experimentellen Verfahren mangelt, um die beeindruckenden Eigenschaften magnetischer Materialien auf Nanoebene zu untersuchen, sind Anwendungen bislang Grenzen gesetzt. Unterstützt durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wollte Nord, der im Rahmen des Projekts MAGIMOX an der Universität Antwerpen forschte, mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie(öffnet in neuem Fenster) (scanning transmission electron microscopy, STEM) nun in neue Bereiche vordringen. „STEM ist ein außerordentlich leistungsfähiges Bildgebungsverfahren, mit dem Säulen einzelner Atome im Material hochpräzise dargestellt werden können. Allerdings lassen sich damit keine funktionellen, sondern eher strukturelle Eigenschaften eines Materials untersuchen“, so Nord. „Obwohl STEM-Detektoren mit niedrigerer Auflösung(öffnet in neuem Fenster) Magnetfelder im Material bereits direkt abbilden können, besteht hier noch deutlicher Verbesserungsbedarf. Insbesondere sollten sie in nahezu allen Rastertransmissionselektronenmikroskopen einsetzbar und für unterschiedlichste Materialien geeignet sein.“ Die Projektgruppe optimierte mehrere Datenverarbeitungsalgorithmen, um magnetische Phasenübergänge in Perowskitoxid-Dünnschichten (einer speziellen Materialklasse mit vielfältigsten funktionellen Eigenschaften) unter die Lupe zu nehmen. Alle aktualisierten Codes sind über die Open-Source-Python-Softwarebibliothek Pyxem(öffnet in neuem Fenster) abrufbar. Intensiv wurde auch an der Kalibrierung und Justierung der Rastertransmissionselektronenmikroskope gearbeitet. Vor allem die Feinjustierung ist wichtig, da die Hauptlinse während des Betriebs ausgeschaltet wird und damit stark die Elektronenoptik des Mikroskops beeinflusst. Neben der Untersuchung der magnetischen Eigenschaften der Perowskitoxid-Dünnschicht La0.7Sr0.3MnO3 konnten bei einer weiteren Klasse handelsüblicher funktioneller Oxidmaterialien strukturelle Phasenübergänge während des Erhitzens im Detail analysiert werden. Mit optimierten Bildverarbeitungsalgorithmen wurden zudem strukturelle Phasenübergänge mit anderen Rastertransmissionselektronenmikroskopen und deutlich größeren Sichtfeldern untersucht. Für intelligente Materialien zeichnen sich nach der Laborphase viele potenzielle Anwendungen außerhalb ihres bisherigen Einsatzbereichs in der Elektronik ab, z. B. in Aktuatoren, Flugzeugen und Medikamentenabgabesystemen. Sind ihre Eigenschaften auf Nanoebene genauer analysiert, könnten sie den Weg für viele innovative Anwendungen ebnen.
Schlüsselbegriffe
MAGIMOX, STEM, Perowskitoxid, Rastertransmissionselektronenmikroskop, STEM, intelligente Materialien, Datenverarbeitungsalgorithmen, Phasenübergang, magnetische Eigenschaften
