Da sich unsere Welt schneller als je zuvor modernisiert, besteht ein ständig wachsender Bedarf an besserer und schnellerer Elektronik und Computern. Spintronik ist ein neues System, das neben dem Ladungszustand auch den Spin eines Elektrons nutzt, um Daten zu kodieren, wodurch das gesamte System schneller und effizienter wird. Ferromagnetische Nanodrähte mit hoher Koerzitivkraft (Widerstand gegenüber Magnetisierungsänderungen) sind erforderlich, um das Potenzial der Spintronik auszuschöpfen. Besonders L10-geordnete (eine Art Kristallstruktur) Cobalt-Platin (CoPt)-Nanodrähte.
Herkömmliche Herstellungsverfahren für Nanodrähte der L10-Ordnung umfassen eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials, ein Prozess, der als Glühen auf dem Kristallsubstrat bezeichnet wird; die Übertragung eines Musters auf das Substrat durch Lithographie; und schließlich die chemische Entfernung von Schichten durch einen als Ätzen bezeichneten Prozess.
Die Eliminierung des Ätzprozesses durch direkte Herstellung von Nanodrähten auf dem Siliziumsubstrat würde zu einer deutlichen Verbesserung bei der Herstellung von Spintronik-Bauelementen führen. Wenn direkt hergestellte Nanodrähte jedoch einem Tempern unterzogen werden, neigen sie dazu, sich aufgrund der inneren Spannungen im Draht in Tröpfchen umzuwandeln.
Kürzlich hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Yutaka Majima vom Tokyo Institute of Technology eine Lösung für das Problem gefunden. Das Team berichtete über einen neuen Herstellungsprozess zur Herstellung von L10-geordneten CoPt-Nanodrähten auf Silizium/Siliziumdioxid (Si/SiO2)-Substraten.
Sprechen über ihre Forschung, veröffentlicht in Fortschritte im Nanomaßstab, Prof. Majima sagt: „Unser Nanostruktur-induziertes Ordnungsverfahren ermöglicht die direkte Herstellung von ultrafeinen L10-geordneten CoPt-Nanodrähten mit den für die Spintronik erforderlichen schmalen Breiten von 30 nm. Dieses Herstellungsverfahren könnte ferner auf andere L10-geordnete ferromagnetische Materialien wie z als Eisen-Platin- und Eisen-Palladium-Verbindungen.“
In dieser Studie beschichteten die Forscher zunächst ein Si/SiO2-Substrat mit einem als „Resist“ bezeichneten Material und unterzogen es einer Elektronenstrahllithographie und Verdampfung, um eine Schablone für die Nanodrähte zu erstellen. Dann wird eine Mehrfachschicht aus CoPt auf dem Substrat abgeschieden. Die abgeschiedenen Proben wurden dann „abgehoben“, wobei CoPt-Nanodrähte zurückblieben. Diese Nanodrähte wurden dann einem Tempern bei hoher Temperatur unterzogen. Die Forscher untersuchten die hergestellten Nanodrähte auch mit mehreren Charakterisierungstechniken.
Sie fanden heraus, dass die Nanodrähte während des Glühprozesses eine L10-Ordnung annahmen. Diese Transformation wurde durch atomare Interdiffusion, Oberflächendiffusion und extrem große innere Spannungen bei den ultrakleinen Krümmungsradien im 10-nm-Maßstab der Nanodrähte induziert. Sie fanden auch heraus, dass die Nanodrähte eine große Koerzitivfeldstärke von 10 KiloOersted (kOe) aufwiesen.
Laut Prof. Majima „induzieren die inneren Spannungen der Nanostruktur hier die L10-Ordnung. Dies ist ein anderer Mechanismus als in früheren Studien. Wir hoffen, dass diese Entdeckung ein neues Forschungsfeld namens ‚Nanostruktur-induzierte Materialien‘ eröffnen wird.“ Wissenschaft und Ingenieurswesen.'“
Mehr Informationen:
Ryo Toyama et al, Nanostrukturinduzierte L10-Ordnung von verzwillingten Einkristallen in ferromagnetischen CoPt-Nanodrähten, Fortschritte im Nanomaßstab (2022). DOI: 10.1039/D2NA00626J