Dreidimensionale (3D) magnetische Nanostrukturen eröffnen einen Weg für komplexere, funktionale und neuartige magnetische Eigenschaften, indem ein Magnetisierungszustand ermöglicht wird, der im Vergleich zu zweidimensionalen (2D) Systemen außerhalb der Ebene orientiert ist. Unter voller Ausnutzung ihrer bemerkenswerten Eigenschaften wird die Herstellung komplexer 3D-Netzwerke aus Nanomagneten voraussichtlich die Entwicklung und Entstehung neuartiger Spintronik-Bauteile auslösen, wie z.B. Speicher mit ultrahoher Dichte, die Informationen in drei Dimensionen speichern. Die 3D-Nanostrukturierung stellt allerdings eine große Herausforderung dar und wird durch die bestehenden Möglichkeiten der Standard-Herstellungs- und -Charakterisierungstechniken eingeschränkt.

Hier wurde eine fortschrittliche Kombination aus focused electron beam-induced deposition, kurz FEBID und hochempfindlicher Mikro-Hall-Magnetometrie auf der Basis von selbst hergestellten GaAs/AlGaAs-Mikrosensoren mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) als aktiver Schicht eingesetzt, um individuelle CoFe-3D-Nanoarchitekturen direkt aufzubringen und deren magnetisches Streufeld zu untersuchen. Die Magnetisierungsumkehr wurde durch umfassende Messungen in einem weiten Temperaturbereich und für unterschiedliche Winkel des von außen angelegten Magnetfeldes untersucht. Unterstützt werden die Messungen durch entsprechende Makrospin- und mikromagnetische Simulationen.

In einem ersten Experiment wurden für eine 2x2-Anordnung von Nano-Bäumen und Nano-Würfeln zunächst verschiedene Feld- und Temperaturprotokolle angewandt, um die effektive Dynamik zu untersuchen, die thermisch aktivierten Prozessen zu Grunde liegt. Letztere rühen von der komplexen dreidimensionalen Struktur her. Diese Beobachtungen erweitern das grundlegenede Verständnis der thermisch aktivierten Magnetisierungsdynamik und könnten neue Wege für die Forschung eröffnen. Darüber hinaus wird es durch die Untersuchung der Winkelabhängigkeit der magnetischen Hystereseschleifen, unterstützt durch Makrospin- und mikromagnetische Simulationen, möglich, das Umschaltverhalten der Magnetisierung im Detail zu untersuchen. Es werden hochkomplexe Schaltprozesse mit wirbelartigen Magnetisierungsverteilungen über die magnetischen Elemente beobachtet. Außerdem zeigen weiterführende Hystereseschleifenmessungen, die durch Umkehrkurven erster Ordnung (first-order reversal curves, kurz FORC) dargestellt werden, Signaturen von inhomogenen Wirbelmagnetisierungszuständen.

In einem zweiten Experiment wurde eine 2x2-Anordnung von Nano-Tetrapoden (Einzelelemente eines Diamantgitters), die in Plus- und Kreuzanordnungen aufgewachsen wurden, untersucht. Hier lag die Motivation in der Erzielung unterschiedlicher dipolarer Kopplungen. In der Tat weisen die Hystereseschleifen ein durch die Feineinstellung des angelegten Feldwinkels verursachtes komplexes, stufenartiges Schalten und die Entwicklung von abrupten Sprüngen um die Remanenz bei höheren Winkeln des angelegten Magnetfeldes, d.h. nahezu parallel zur Sensorebene, auf. Die mikromagnetischen Simulationen stimmen gut mit dem Experiment überein und offenbaren, dass die Umschaltprozesse meist sequentiell von einem durch die Formanisotropie dominierten magnetischen Element zu einem anderen verlaufen und im Allgemeinen durch die Nukleation und Annihilation von Wirbelzuständen erklärt werden können, ausgehend von den Rändern und Endkappen der Elemente. Außerdem kehren einige Elemente ihre Magnetisierung über die Nukleation und Ausbreitung von Wirbeldomänenwand-ähnlichen Strukturen um. Bemerkenswerte Unterschiede in der Form der Hystereseschleifen werden für beide Anordnungen beobachtet. Diese Ergebnisse müssen daher mit Vorsicht interpretiert werden, da die Ursache der Abweichung zusätzlich zu den magnetischen Anisotropieeffekten mit der Dipol-Dipol-Kopplung zusammenhängen könnte, die sich zwischen den nächsten Nachbarn bildet. Darüber hinaus werden bei einer umfangreichen Analyse der FORC-Diagramme insbesondere charakteristische Schmetterlings-ähnliche Signaturen beobachtet, die die Interpretation des Umkehrprozesses durch die Nukleation und Annihilation von Wirbelzuständen in ungleichmäßig magnetisierten Elementen unterstützen.

Die vorgestellte Arbeit beinhaltet eine umfassende Untersuchung von einzelnen magnetischen 3D-Nanostrukturen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, die Erforschung und Nutzung des schnell wachsenden Gebietes des 3D-Nanomagnetismus zu erleichtern, das für die Entwicklung moderner Computer-, Sensor- und biologischer Anwendungen vielversprechend ist.