Projekte

Herstellen einer künstlichen Qualle

Mit Hilfe der magnetischen Strukturierung von Exchange Bias Dünnschichtsystemen mittels He+-Ionenbestrahlung können magnetische Muster mit lateralen Abmessungen von nur wenigen Mikrometern erzeugt werden. Aufgrund der resultierenden Streufeldlandschaft ist die gezielte Positionierung von (superpara)magnetischen Core-Shell-Partikeln oberhalb der Domänenwände auf der sonst topografisch planaren Oberfläche möglich. Werden die so angeordneten Mikropartikel in eine Polymermatrix eingebettet, wird ein Kompositmaterial erhalten (magnetorheologisches Polymer), dessen viskoelastische und dynamisch-mechanische Eigenschaften durch externe Stimuli gezielt und reversibel verändert werden können: Bei Anlegen eines Magnetfeldes kommt es bedingt durch die Dipol-Dipolwechselwirkung zwischen den Partikeln zum einen zu einer Verfestigung des Materials; zum anderen kann auch ein magnetostriktiver Effekt beobachtet werden, der je nach Orientierung der Magnetisierung auf die Abstoßung bzw. Anziehung zwischen benachbarten magnetischen Partikeln zurückzuführen ist. Wird das Magnetfeld wieder abgeschaltet, so wird die ursprüngliche Elastizität des Polymers und damit auch die vorherige Form wieder angenommen.

Ziel dieser Arbeit ist es, die magnetischen Partikel und deren räumliche Anordnung sowie die eingesetzten Polymere so zu modifizieren, dass eine Mikrostruktur erhalten wird, die sich in Flüssigkeiten allein durch die Kombination der beschriebenen Effekte ähnlich einer Qualle durch schnelles Zusammenziehen und langsame Regeneration fortbewegt. 

Dazu soll der Einsatz verschiedener magnetischer Materialien und Polymere bzw. Polymerkombinationen untersucht werden. Des Weiteren werden in diesem Projekt experimentelle Methoden entwickelt, mit denen die quantitative Analyse der Veränderungen des Komposits bei Anlegen externer Magnetfelder möglich ist.

Ansprechpartner: Iris Koch

Kristallitgrößenbestimmung mit Hilfe eines Röntgendiffraktometers

Exchange Bias Systeme werden mit dem Röntgendiffraktometer Huber G 653 strukturell charakterisiert. Ein Vorteil dieser Guinier Kamera besteht in der Verwendung eines fokussierenden Monochromators zwischen der Röntgenröhre und dem Dünnschichtsystem zur Erzeugung von streng monochromatischen Röntgenstrahlen. Ein anderer Nutzen liegt in dem sehr kleinen Einfallswinkel (<10°) zwischen den einfallenden Röntgenstrahlungen und der Probenoberfläche, so dass eine große effektive Schichtdicke und dadurch höhere Beugungsintensitäten erreicht werden. Die dem Monochromator nachgeschaltete Beugungsanordnung verwendet die Seemann-Bohlin Geometrie, bei der der Strichfokus des Monochromators, die Probenoberfläche und der Eintrittsspalt des Zählrohres auf dem so genannten konstanten Fokussierungszylinder liegen. Während einer Messung wird der Einfallswinkel nicht verändert und der Eintrittsspalt des Zählrohres bewegt sich auf dem Fokussierungszylinder. Somit ist dieses Röntgendiffraktometer besonders geeignet zur Untersuchung dünner polykristalliner Schichten auf einem amorphen oder kristallinen Substrat. Aus den Beugungsspektren können z. B. die Gitterkonstante, der Gittertyp und die Kristallitgrößen berechnet werden. In Zukunft sollen die Kristallitgrößen von Exchange Bias Systemen gemessen werden, um einen Zusammenhang zwischen der Größe des Exchange Bias Feldes und den Kristallitgrößen herzustellen. Anschließend sollen die Sputterparameter so gewählt werden, dass der Exchange Bias Effekt maximal wird.

Ansprechpartner: Markus Meyl

Magnetische 2D Strukturierung von Exchange Bias Systemen

Durch mehrfache Wiederholung lithographischer Prozesse und magnetischer Strukturierung durch Heliumionenbeschuss werden komplexe Magnetisierungsmuster innerhalb eines austauschgekoppelten Multischichtsystems aus Antiferro- und Ferromagnet erzeugt. Die magnetischen Eigenschaften der Probe können dabei gezielt eingestellt werden. Auf diese Weise können die Eigenschaften der magnetischen Domänen, wie z.B. die Domänenwandbreite und Form oder die Ripplewellenlänge anwendungsspezifisch eingestellt werden.

Neben dem Design solcher Strukturen bildet die genaue Charakterisierung den Mittelpunkt der Forschung. Neben der Messung der feldabhängigen Probenmagnetisierung mit Vibrations- und Kerrmagnetometrie werden die Dünnschichtsysteme mit Magnetkraftmikroskopie (MFM) Charakterisiert. Eine hochgenaue, ortsaufgelöste Messung der magnetischen Momente mittels Rasterelektronenmikroskopie Polarisationsanalyse (SEMPA) liefert genauste Informationen über den Magnetisierungsverlauf innerhalb einer magnetischen Domäne oder einer Domänenwand.

Die SEMPA Messungen werden von der Arbeitsgruppe für Grenz- und Oberflächenphysik an der der Universität Hamburg unter der Leitung von Prof. Dr. H.P. Oepen durchgeführt.

Ansprechpartner: Alexander Gaul

Magnetisch strukturierte dreidimensionale Nanosysteme

Die zunehmende Miniaturisierung funktionaler Systeme bis in den Nanometerbereich ist inzwischen weit fortgeschritten, jedoch stellt insbesondere die dreidimensionale Strukturierung solcher Systeme eine besondere Herausforderung dar. Magnetisch strukturierten dreidimensionalen Systemen im Nanometerbereich kommt aufgrund vielfältiger potenzieller Anwendungsgebiete in der Datenspeicherung, Sensorik oder im Wirkstofftransport besondere Bedeutung zu. Sowohl die Herstellung, als auch die Strukturierung und Analyse solcher Strukturen erfordern spezielle Methoden.

Im Rahmen dieses Projekts werden neuartige magnetisch strukturierte Systeme im Nanometerbereich entwickelt und charakterisiert. Beispielsweise sollen topographisch strukturierte Exchange Bias Systeme mit verschiedenen Geometrien hergestellt werden, was durch das NanoImprint Verfahrens im INA ermöglicht wird. In einer weiteren Kooperation sollen röhrenförmige magnetisch strukturierte Exchange Bias Systeme hergestellt werden, die sich aufgrund von Verspannungen selbständig aufrollen. Ziel dabei ist es, durch externe magnetische Wechselfelder superparamagnetische Partikel gezielt durch diese Röhren steuern zu können.

Neben in der Arbeitsgruppe vorhandenen üblichen Analysemethoden wie VSM, MOKE oder AFM/MFM werden im Rahmen dieses Projekts auch X-PEEM Experimente mit Synchrotronstrahlung zur Aufklärung von Molekül- oder Partikelpositionierungen und magnetischen Eigenschaften durchgeführt.

Ansprechpartner: Timo Ueltzhöffer

Magneto Optische Oberflächenplasmonresonanz (MOSPR)

Winkelaufgelöste Oberflächenplasmonresonanz (SPR) basierte Biosensoren sind nachwievor von zentraler Bedeutung für die biochemischen Interaktionsanalyse. Diese Biosensoren beruhen auf Reflektivitätsmessungen an der Grenzfläche zwischen einem Dielektrikum und einem Metall, welches sich hinter einem Glasprisma befindet (Kretschmann Konfiguration). Wird linear polarisiertes Licht in einem Winkel größer dem kritischen Winkel der Totalreflektion (Glas-Dielektrikum), an der Rückseite des Metalls (durch das Prisma) reflektiert, können kollektive Elektronendichte Schwingungen angeregt werden (Oberflächenplasmon). Dies äußert sich in einem Minimum der Intensität des reflektierten Lichts. Ändert sich der Brechungsindex vor der Metallschicht (Dielektrikum) in Folge der Bindung eines Biomoleküls an die Oberfläche, ändert sich der Resonanzwinkel, was zu einer Verschiebung des Reflektivitätsminimums führt. Dieser Effekt kann genutzt werden um das Bindungsverhalten von Biomolekülen zu untersuchen, da der Brechungsindexes von der Biomolekülkonzentration einer Lösung abhängt.

In unserem Labor haben wir einen winkel- und ortsaufgelösten SPR Messplatz in Kretschmann Konfiguration aufgebaut, welcher zusätzlich magneto optische SPR Messungen in transversaler Geometrie ermöglicht. Zur Durchführung von MOSPR Messungen muss eine ferromagnetische Schicht, welche durch ein externes Magnetfeld senkrecht zur Einfallsebene des Lichts magnetisiert werden kann, Teil des metallischen Schichtsystems sein. Aufgrund des transversalen magneto optischen Kerr Effekts ist die Reflektivität in diesem Fall abhängig von der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht. Es konnte gezeigt werden, dass auf diese Weise mit Hilfe des Differnzsignals δ = R(H+)-R(H-)/R(0), die Empfindlichkeit von SPR Sensoren erhöht werden kann [1,2].

Im Rahmen des MOSPR Projekts werden SPR/MOSPR Eigenschaften verschiedenster magnetischer Dünnschichtsysteme theoretisch und experimentell untersucht. Neuste Simulationen haben gezeigt, dass die erhöhte Empfindlichkeit von MOSPR Biosensoren nur mit bestimmten Metallschichtsystemen für definierte Brechungsindexbereiche ausgenutzt werden kann [1].

 

References:
[1] Kämpf K., S.Kübler, F. W Herberg, A. Ehresmann, J. Appl. Phys. 112, 034505 (2012)
[2] D. Regatos, B. Sepulveda, D. Farina, L. G. Carrascosa, L. M. Lechuga, Opt. Express 19, 8336 (2011)

Ansprechpartner: Sebastian Kübler

Magnetpartikeltransport in wandernden lokalen Magnetfeldern und dessen Anwendung in Mischern und Biosensoren

Mikrofluidale Anwendungssysteme in Kombination mit biosensorischen Elementen nehmen in Forschung, Medizin und Technik einen besonderen Stellenwert ein. Durch die Integration neuartiger Labor- und Analyseverfahren auf einen Chip mit lateralen Abmessungen von nur wenigen Zentimetern werden völlig neuartige, tragbare Sensoren, Möglichkeiten zum Wirkstofftransport oder künstliche Implantate geschaffen. Schlüsselkomponenten für die erfolgreiche Realisierung so genannter „Westentaschenlabore“ sind die Integration effizienter Mischeinheiten für kleinste Flüssigkeitsmengen, sowie der Transport nachzuweisender Biomoleküle zum Sensor. Speziell beim Mischen sind die adhäsiven Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Kanalwand ein Problem, da die Erzeugung von Turbulenzen, die zu einer effizienten Durchmischung benötigt werden, mit zunehmender Verringerung des Flüssigkeitsvolumens erschwert wird. In diesem Forschungszweig soll ein vollkommen neuartiges Konzept verfolgt werden, dass auf der kontrollierten Domänenwand getriebenen Bewegung superparamagnetischer Partikel über magnetisch strukturierten Exchange-Bias Substraten mittels maßgeschneiderter externer Magnetfelder basiert [1]. Die Bewegung der Partikel soll dazu genutzt werden, um die Mischgeschwindigkeit, d.h. die Interaktionsrate zwischen molekularen Komponenten wie Analyt- und Sensormolekülen, zu erhöhen, sodass ein hochempfindlicher Nachweis von krankheitsrelevanten Biomolekülen möglich ist [2]. Das Forschungsprojekt wird von der Wirtschafts- und Infrastrukturbank Hessen unter dem Titel „Hochempfindlicher Nachweis von Biomolekülen mit Hilfe von kontrolliert bewegter Mikro- und Nanopartikel“ finanziell gefördert.

[1] A. Ehresmann, D. Lengemann, T. Weis, A. Albrecht, J. Langfahl-Klabes, F. Göllner, D. Engel, Adv. Mater. 2011 , 23, 5568
[2] D. Holzinger, D. Lengemann, F. Göllner, D. Engel and A. Ehresmann, Appl. Phys. Lett. 2012, 100, 153504

Ansprechpartner: Dennis Holzinger

MaSC - Magnetic Security Coding

In diesem Projekt soll das Konzept eines magnetischen Sicherheits- oder Barcodes zum Schutz vor Produktpiraterie untersucht werden. Grundlage dieses Konzepts ist eine Oberfläche, die in unterschiedlichen Bereichen verschiedene Magnetisierungsrichtungen besitzt. Das Muster der Magnetisierungen soll dann als Träger der Informationen dienen, welche die Echtheit der Produkte zeigt. Basis dieses Konzepts sind Exchange Bias Multischichtsysteme, deren Magnetisierungsrichtung durch He Ionenbeschuss modelliert wurde.

Das Ziel dabei ist Muster zu finden, die schnell und einfach ausgelesen werden und gleichzeitig eine genügende Menge an Informationen tragen können. Des Weiteren soll das System bezüglich seiner Widerstandskraft gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperatur, externe Magnetfelder und mechanischer Beanspruchung optimiert werden.

Im Zuge der Arbeit soll außerdem der Prototyp eines Auslesegerätes konzipiert und getestet werden, welches die hergestellten Strukturen auslesen kann. Dieses Auslesegerät sollte zum einen kostengünstig herstellbar sein und zum anderen ein schnelles und einfaches Auslesen der Informationen auf dem Sicherheitscode gewährleisten.

Ansprechpartner: Nicolas Müglich

Strukturelle Effekte des Ionenbeschusses von Exchange-Bias Systemen

Im Rahmen des Projekts soll untersucht werden, welche strukturellen Veränderungen in Exchange-Bias-System auftreten, wenn diese mit niederenergetischen Heliumionen beschossen werden. Von zentralem Interesse ist dabei, auf welche Weise diese Veränderungen einen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften ausüben und wie somit der Ionenbeschuss eine magnetische Strukturierung via IBMP erlaubt. Denn während in vielen anwendungsorientierten Projekt in der Arbeitsgruppe diese erarbeitete Technik seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt wird, gibt es bisher nur hauptsächlich phänomenologische Beschreibungen, während eine umfassende Studie noch fehlt.Für die beschriebenen Untersuchung werden individuelle experimentelle Szenarien umgesetzt, die verschiedene Mechanismen der Wechselwirkungseffekte hervorheben sollen. Kerninteresse ist es dabei, einzelne Effekte der Interaktion von Ionen und magnetischen Schichten zu isolieren um diese strukturell als auch magnetisch charakterisieren und korrelieren zu können.

Ansprechpartner: Henning Huckfeldt

Positionierung von Molekülen durch magnetische Streufeldlandschaften

Es werden Dünnschichtsysteme genutzt um magnetische Streufeldlandschaften zu erzeugen. Diese magnetischen Streufelder beeinflussen das magnetische Verhalten von metallorganischen Molekülen und leiten sie an gewählte Positionen auf der Probenoberfläche. Durch diese Technik wurde erstmals eine Positionierung von Molekülen auf Oberflächen durch magnetische Streufelder erreicht. Moleküle mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften (paramagnetisch, diamagnetisch) und speziellen Bindungsgruppen werden in der Arbeitsgruppe „Metallorganische Chemie“ von Prof. Siemeling, Universität Kassel, synthetisiert. Die Proben werden durch den sogenannten „ion bombardment induced magnetic patterning“ Prozess in (derzeit) periodische Streifendomänen mit head-to-head/tail-to-tail Magnetisierung strukturiert. Diese Magnetisierungsgeometrie führt zu starken inhomogenen magnetischen Streufeldern die aus der Probenebene austreten und sich über der Probe ausbreiten. Analog zu dem Verhalten in der makroskopischen Welt werden diamagnetische Materialien aus Bereichen hoher magnetischer Flussdichte heraus gedrängt, während paramagnetische Substanzen hinein gezogen werden. Auf diese Weise können molekulare Monolagen durch die Wahl der magnetischen Struktur gezielt an gewünschten Bereichen der Probenoberfläche aufgewachsen werden.

Ansprechpartner: Florian Ahrend