Vorwort. VDI-Technologiezentrum Zukünftige Technologien

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1 Vorwort Im Rahmen des Integrierten Technologiemanagements durch die Abteilung '' des VDI-Technologiezentrums liegt ein Schwerpunkt auf der Technologiefrüherkennung. Ziel dieser Tätigkeit ist es, aussichtsreiche Technologieansätze zu ermitteln und durch geeignete Maßnahmen voranzutreiben. Diese Analysetätigkeit gliedert sich in drei Teilziele, die allerdings in der Praxis nicht immer strikt voneinander abgrenzbar sind. Erstes Teilziel ist das Suchen und Identifizieren relevanter technischer Innovationspotentiale. Neue Ansätze ergeben sich vor allem durch Entdecken eines neuen Effektes, durch Weiterentwicklungen bekannter Ansätze oder durch Heranziehen neuer Betrachtungsperspektiven. Dem möglichst frühzeitigen Identifizieren eines neuen Themengebietes folgt eine Bewertung im Kontext der technisch-wirtschaftlichen Gesamtentwicklung. Bei diesem Teilziel geht es vor allem um die Analyse potentieller Anwendungsfelder und deren zeitlicher Realisierungsperspektiven, um die Analyse des Aufwandes zur Realisierung dieser Anwendungen sowie der Auswirkungen auf andere Technologien und auf Mensch und Umwelt. Auf Basis der Ergebnisse dieser Bewertung werden Technologieanalysen erstellt, die neben Workshops und Veranstaltungen einen wichtigen Bestandteil des Informationstransfers, dem dritten Teilziel unserer Technologiefrüherkennungstätigkeit, darstellen. Gegenüber anderen von uns bearbeiteten Gebieten, wie Nanotechnologie oder Adaptronik, liegt die Herausforderung einer Technologieanalyse zum Bereich Magnetismus darin, daß dieses Technologiegebiet einerseits eine lange Tradition in Wissenschaft und Anwendung besitzt, sich andererseits interessante neuere Entwicklungen abzeichnen. Für Deutschland besitzen die Magnettechnologien zum Beispiel im Fahrzeug- und Maschinenbau große industrielle Bedeutung. Als Analyseansatz für ein ganzes Gebiet der Physik bietet sich ein Screening der verschiedenen Teilgebiete des Magnetismus an, um Ansätzen unterschiedlichen Reifegrades sowie unterschiedlichen Neuheitsgrades in ihrer Vielfalt gerecht zu werden. Die vorliegende Technologieanalyse zu den XMR-Technologien ist Teil einer übergreifenden Studie zum Magnetismus. In Anbetracht von Aktualität und Umfang des Themas erscheint uns jedoch eine separate Präsentation der Ergebnisse geboten. Dr. Dr. Axel Zweck 1

2 Vorwort...1 Glossar Einleitung (Inklusive Abstract) XMR-Technologien: Magnetoelektronik, Sensorik Übersicht: Von Magnetowiderstandseffekten zu XMR-Technologien AMR-Effekt GMR-Effekt GMR-Effekt in granularen Systemen TMR-Effekt Forschung GMR und TMR Werden GMR-Sensoren die besseren AMR-Sensoren? Bieten GMR- oder TMR-Systeme die besseren Anwendungseigenschaften? Gekoppelte versus ungekoppelte GMR-Schichtsysteme CMR-Effekt GMI-Effekt Anwendungen des GMI-Effektes in der Sensorik? Messung extrem kleiner Felder: XMR-Technologien versus SQUIDs Innovationsimpulse aus dem Bereich der Magnetoelektronik Informationstechnik und Elektronik Leseköpfe für Magnetspeicher Magnetoelektronik, Spintransistoren, Magnet-Halbleiter-Strukturen Magnetische RAM-Datenspeicher (MRAM) Maschinen- und Fahrzeugbau (Sensorik) Medizintechnik, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Mikrosystemtechnik Bolometer, magnetische Schalter, neue magnetische Massenspeicher, Sensoren? Zusammenfassende Bewertung Stellenwert der Anwendungsbereiche/Problemlösungsbeiträge F&E-Bedarf Hemmnisse Günstige Rahmenbedingungen Aktivitäten in Industrie und Ausland Ergebnisse der Patentrecherche Ergebnisse der Expertenbefragung Generelle Bewertung (Problemlösungsbeiträge, Technikfolgen)

3 4.9 Förderaktivitäten Literatur

4 Glossar XMR-Technologien MR-Effekte AMR GMR TMR CMR GMI MRAM Oberbegriff des auf den Magnetowiderstandseffekten AMR, GMR, TMR, CMR und GMI beruhenden technischen Know-hows Magnetoresistive bzw. Magnetowiderstandseffekte einschließlich des Magnetowechselstromwiderstandes bzw. Magnetoimpedanz (MI) Anisotroper Magnetowiderstand (anisotropic magnetoresistance) Riesenmagnetowiderstand (giant magnetoresistance) Tunnelmagnetowiderstand (tunneling magnetoresistance) Kolossaler Magnetowiderstand (colossal magnetoresistance) Riesenmagnetoimpedanz bzw. -wechselstromwiderstand (giant magnetoimpedance) Magnetischer Schreib-Lese-Speicher (Arbeitsspeicher, magnetic, random access memory) 4

5 1 Einleitung (Inklusive Abstract) Der Einsatz neuer Technologien ist ein wesentlicher die Innovationsdynamik bestimmender Faktor. Die inhaltliche Qualität anwendungsrelevanter Forschung allein begründet im internationalen Vergleich noch keinen Innovationsvorsprung des Standortes Deutschland. Standort- und Wettbewerbsvorteile lassen sich jedoch dann erzielen, wenn frühzeitig eine systematische und umsichtige Aufklärung der Anwendungsrelevanz neuer Forschungsergebnisse hinzukommt. Dies ist die Aufgabe der Technologiefrüherkennung. Information über entstehende neue Technologien auf Basis neuer Grundlagenentdeckungen ist eine Voraussetzung zur gezielten Unterstützung und rechtzeitigen vorteilhaften Nutzung dieser neuen Technologien. Die vorliegende Technologiefrüherkennungsstudie ist Teil einer übergreifenden Technologieanalyse im Bereich Magnetismus. Im Rahmen dieser Untersuchung hat sich gezeigt, daß das Thema Magnetoelektronik/XMR-Technologien von herausragender Aktualität und Relevanz im Sinne der Technologiefrüherkennung ist: In diesem Feld werden 1. neuentdeckte physikalische Grundlageneffekte mit 2. großen technischen Anwendungsmöglichkeiten als Querschnittstechnologien für 3. wichtige Wirtschaftsbereiche in Deutschland (u. a. Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Elektronik) angetroffen. Es besteht daher eine begründete Erwartung, daß eine Darstellung des Potentials der XMR-Technologien als Beitrag zur Sicherung der technologischen und wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit genutzt werden kann. 5

6 Abstract: Was ist Magnetoelektronik? Das Gebiet Magnetoelektronik ist neu, beruht aber in den grundsätzlichen Aspekten auf Effekten des Magnetismus. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung bei der Erzeugung magnetischer Strukturen hat man überraschende neuartige Effekte gefunden, welche die Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Festkörpern betreffen. Die Nutzung dieser Effekte ist überall dort naheliegend, wo man das technische Problem der Umwandlung magnetischer Information in ein elektrisches Signal zu lösen hat. Dies ist der Fall in vielen Bereichen der Sensorik, bei Leseköpfen von Magnetbändern und Festplatten, in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und in der Medizintechnik. In einem weiteren Schritt können diese Effekte auch als Grundbausteine neuartiger Datenspeicherelemente (MRAM magnetic random access memory) und Komponenten der Elektronik (sogenannten Spintransistoren) dienen. In der Magnetoelektronik bedient man sich der Eigenschaft, daß die Ladungsträger (Elektronen) zusätzlich zu ihrer Ladung auch ein magnetisches Moment (gekoppelt an ihren Spin) besitzen: Elektronen fungieren also als Träger des elektrischen Stroms und sind gleichzeitig Elementarmagnete. Das magnetische Verhalten jedes Festkörpers wird durch die Art und Stärke der Elementarmagnete und ihrer Wechselwirkung in einem Festkörper geprägt. Bisher jedoch konnte man mit magnetischen Feldern von außen das Verhalten des Stroms im Inneren eines Leiters nur sehr gering manipulieren. Dies hat sich geändert mit den kürzlich entdeckten neuen Effekten, welche als riesige bzw. kolossale Magnetowiderstandseffekte bezeichnet werden. Diese Effekte erlauben es nun, das elektrische Verhalten eines Systems (und damit die Elektronik) sehr effizient mit magnetischen Mitteln zu beeinflussen. Diese Magnetowiderstandseffekte sind als Quantenphänomene von hohem Grundlageninteresse und gleichzeitig von hoher Anwendungsrelevanz. Aus Grundelementen, die die Magnetowiderstandseffekte nutzen, werden die Systeme der Magnetoelektronik aufgebaut. Von diesen magnetoelektronischen Systemen werden erhebliche technische und wirtschaftliche Innovationsimpulse in den Bereichen Sensorik für Maschinen-, Fahrzeugbau und Medizintechnik sowie im Bereich der Elektronik und Informationstechnik erwartet: 6

7 Sensoren aller Art (auch für extreme Miniaturisierungen, für extrem hohe Empfindlichkeit) Magnetoresistive Speicher MRAM Spintransistoren Magnet-Halbleiter-Bauelemente Bolometer, magnetische Schalter neue magnetische Materialien (magnetische Oxide mit einer elektrischen Leitfähigkeit nahe der von Metallen), möglicherweise für z. B. Massendatenspeicher Die Magnetowiderstandssensorik ist eine robuste und im Prinzip einfache Technologie, die zunehmend im Wettbewerb mit anderen Sensortechnologien stehen wird, in denen höchste Miniaturisierung, geringerer Energieverbrauch und/oder extreme Empfindlichkeit gefordert sind. Als Bausteine elektronischer Systeme basierend auf Magnettechnologie können Spintransistoren und magnetoelektronische Arbeitsspeicher (MRAMs) zu einer höheren Miniaturisierung führen als allein auf Halbleitertechnologie basierende. Vorteile eines MRAM im Vergleich zum heutigen Halbleiterspeicher DRAM liegen bei kürzeren Zugriffszeiten und der nichtflüchtigen Datenspeicherung sowie einem deutlich einfacheren Grundaufbau der Systeme. Das Konzept der MRAMs verbindet die (prinzipbedingten) Vorteile der Halbleiterspeicher (hohe Zugriffsgeschwindigkeit) mit denjenigen der magnetischen Massenpeicher (hohe Speicherdichte). Weiterhin gibt es Überlegungen, die Bipolarität der Halbleiter, bestehend aus Elektronen und Löchern, auf die beiden Spinrichtungen auf und ab in magnetischen Metallen abzubilden. Die Konzepte der Magnetoelektronik sollen neuartiges Design elektronischer Schaltkreise sowie neue weiterführende Lösungen für Logikbausteine und Magnet-Halbleiter-Schaltungen erlauben. In dieser Studie diskutierte physikalische Effekte AMR (Anisotroper Magnetowiderstand) GMR (Riesenmagnetowiderstand) in Schichtsystemen und granularen Medien CMR (Kolossaler Magnetowiderstand) Magnetische Zwischenschichtkopplung TMR Tunnelmagnetowiderstand bzw. Spinabhängiges Tunneln GMI (Riesenmagnetoimpedanz) 7

8 Der Hall-Effekt, der ebenfalls in die Klasse der magnetoelektronischen Effekte gehört, soll hier nur am Rande betrachtet werden (Hall-Sonden im Vergleich zu MR-Sensoren in Kapitel 4). Adressaten Die vorliegende Studie soll einen Überblick über den aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik auf dem Gebiet der XMR-Technologien sowie über ihre Bedeutung für Wissenschaft, Technik und Wirtschaft geben. Die Informationen sind so aufbereitet, daß sie sowohl Forschern aus Hochschulen und Industrie in den Bereichen Festkörperphysik, insbesondere Magnetismus, Werkstoffwissenschaften, Elektrotechnik, Sensorik und weiteren Bereichen ein Überblickswissen bieten als auch fachfremden, wissenschaftlich-technisch interessierten Entscheidungsträgern Informationen über Ansätze zukünftiger Technologien bieten. Hinweis für Querleser Wer vorwiegend an Anwendungs- bzw. Innovationsfeldern der XMR-Technologien interessiert ist, kann direkt bei Kapitel 3, Seite 47, beginnen. Eine kompakte Übersicht der Eigenschaften der hier diskutierten Magnetowiderstandseffekte enthält Tabelle 1, Seite 16. Eine Vorstellung von den Größen der hier besprochenen Magnetfelder zeigt Abbildung 4, Seite 17. Eine Einschätzung des Innovationspotentials der verschiedenen XMR- Technologien in komprimierter tabellarischer Form enthalten Abbildung 16, Seite 64 und Abbildung 17, Seite 71. Basis und Vorgehensweise der Technologieanalyse Im Rahmen der gesamten Technologieanalyse Magnetismus (Band 1 und 2) wurden insgesamt ca. 80 Experten, überwiegend aus Deutschland, mündlich, schriftlich mittels eines Bewertungsbogens und in einem Expertengespräch (neun Teilnehmer aus Industrie und Hochschulen, Teilnehmer siehe Anhang) befragt. Der genannte Expertenkreis hat sich nicht allein zum Thema XMR- Technologien geäußert, sondern zum ganzen Spektrum der Magnetismusthemen (Permanentmagnete, Weichmagnete, Magnetowiderstandseffekte, Speichermagnete, Magnetooptik, Molekulare Magnete, Magnetostriktion und weitere, 8

9 siehe Band 1). Zum Thema XMR-Technologien speziell wurden ca. 30 Experten befragt. Das komprimierte Ergebnis der Expertenbefragung ist in Kapitel 4.6, Seite 65 dargestellt. Ausführlich wird in Band 1 der Technologieanalyse Magnetismus zu Fragen der Wahl des Themas und der Herangehensweise, der Art der Informationsgewinnung und der Bewertung sowie dem Stellenwert der einzelnen Teilbereiche des Themas Magnetismus Stellung genommen. Das Vorgehen bei der Technologiefrüherkennung in allgemeiner Weise wird in Abbildung 1 vorgestellt. 9

10 Technologiefrüherkennung Biologie Physik Chemie Experten Fachliteratur Kongresse Auslandsbeobachtung Europa USA Südostasien Patente IDENTIFIKATION Suche nach neuen Effekten und Technologieperspektiven (bottom up) Suche nach Problemlösungsbeiträgen (top down) Strukturierung, interne Analyse Förderprogramme Inland Ausland Workshops Spezielle Studien extern intern Expertengespräche BEWERTUNG Innovationspotential Entwicklungspotential Problemlösungsbeiträge Realisierungshemmnisse WISSENSTRANSFER durch Technologieanalysen Handlungsempfehlungen Publikationen Workshops BMBF Projektträger Wirtschaft Institute VDI-Technologiezentrum Abbildung 1: Übersicht zur Technologiefrüherkennung durch das VDI-Technologiezentrum. 10

11 2 XMR-Technologien: Magnetoelektronik, Sensorik Magnetoelektronik physikalisch verstanden bezeichnet solche Effekte, bei denen magnetische Eigenschaften eines Festkörpers bzw. Magnetfelder, die auf dieses System wirken, das Verhalten der Elektronen (die Elektronik) beeinflussen. Wichtigstes Beispiel sind die Magnetowiderstandseffekte (oder kurz MR- Effekte): Wird die Streuung von Elektronen beim Transport in Abhängigkeit eines Magnetfeldes geändert, so ändert sich der Ohmsche Widerstand bzw. der Wechselstromwiderstand eines Systems. Jeweils ganz verschiedene physikalische Wirkprinzipien rufen Magnetowiderstandseffekte hervor. Magnetoelektronik technisch verstanden bezeichnet eine neuartige Elektronik, welche die Magnetowiderstandseffekte in elektronischen Bausteinen (MR-Sensoren, Spintransistoren, neuartigen RAM-Speichern MRAMs) nutzen will. Innerhalb des gesamten Bereiches Magnetismus zieht das Thema Magnetoelektronik (physikalisch und technisch betrachtet) gegenwärtig das mit Abstand größte Interesse auf sich. Außer dem AMR-Effekt wurden alle Magnetowiderstandseffekte innerhalb der letzten Dekade entdeckt. Sie sind von hohem Grundlageninteresse und gleichzeitig von hoher Anwendungsrelevanz. Der Magnetoelektronik werden erhebliche Innovationsimpulse in den Bereichen Sensorik für Maschinen-, Fahrzeugbau und Medizintechnik sowie im Bereich der Elektronik und Informationstechnik zugerechnet. Die verschiedenen MR- Effekte bieten jeweils unterschiedliche technologische Nutzungsmöglichkeiten. Sie werden zusammenfassend als XMR-Technologien bezeichnet. Ab Kapitel 2.2 werden die verschiedenen MR-Effekte so vorgestellt, daß das physikalische Wirkprinzip kurz dargestellt und der Stand sowie die Themen aktueller Forschung beschrieben werden. Leitgedanke der Analyse ist, das Umsetzungs- und Innovationspotential der aus den grundlegenden physikalischen Magnetowiderstandseffekten erwachsenden XMR-Technologien aufzuzeigen. In knapper Form zusammenfassend nimmt Abbildung 2 das Ergebnis vorweg. 11

12 Physikalische Wechselwirkung Magnetowiderstandseffekte AMR Technologien XMR-Technologien MR-Sensoren (inkl. Leseköpfe) Anwendungsbereiche Fahrzeugtechnik (Sensoren für mechanische Parameter, z.b. ABS) Maschinenbau, Robotik (Sensoren für mechanische Parameter, z.b. Winkelmessung) Informationstechnik (Leseköpfe, RAM-Speicher, Elektronik, Transistoren) GMI GMR TMR CMR? Magnetoelektronische Komponenten (MRAMs, Spintransistoren Magnet-Halbleiter- Elemente) Medizintechnik (Sensoren für Biomagnetfelder) Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (Sensoren mit extrem hoher Empfindlichkeit) Neue Materialien? Mikrosystemtechnik (Sensorik und Elektronik auf einem Chip)? Magnetische Massenspeicher (Computerfestplatten) andere Bereiche VDI-Technologiezentrum Abbildung 2: Die Magnetowiderstandseffekte bilden zukünftige Bausteine für leistungsfähige Sensoren und magnetoelektronische Komponenten, welche Schlüsseltechnologien für wichtige Anwendungsbereiche sind. Die Anwendungsbereiche mit großer volkswirtschaftlicher Bedeutung und Nachfrage nach großen Stückzahlen sind stärker umrandet. Außer dem Bereich der magnetischen Massenspeicher betrifft dies auch in Deutschland wichtige Wirtschaftsfelder. Die Fragezeichen weisen darauf hin, daß Anwendungen des CMR-Effektes noch völlig offen sind. 12

13 2.1 Übersicht: Von Magnetowiderstandseffekten zu XMR-Technologien Die Magnetowiderstandseffekte sind zunächst für die Sensorik von Interesse: Magnetfeldänderungen, welche Indikatoren magnetischer, elektrischer oder mechanischer Parameter sein können, werden direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches berührungsfrei und im Prinzip leicht auslesbar ist. Dies ist eine technisch vorteilhafte und elegante Lösung. Zu den Sensoren zählen auch die Leseköpfe für Magnetspeichermedien, wie sie z. B. bei Computerfestplatten zur Anwendung kommen. Da es verschiedene andere Sensortypen gibt, welche Magnetismuseffekte ausnutzen (z. B. Magnetostriktive Sensoren, siehe Band 1, Kapitel Magnetomechanik), bezeichnet man den hier betrachteten Bereich zusammenfassend als Magnetowiderstands- oder kurz MR-Sensorik. Von den verschiedenen MR-Effekten ist nur der AMR schon lange bekannt. Technisch wird der relativ schwache AMR-Effekt seit Anfang der 90er Jahre für Leseköpfe in Computerfestplatten genutzt (Abbildung 3). Erste AMR- Sensoren in den Bereichen Maschinenbau und Fahrzeugtechnik sind gerade im Begriff in Anwendungen zu gelangen. Die MR-Sensorik ist kostengünstig herzustellen und bietet gegenüber konkurrierenden Sensortechnologien Vorteile insbesondere in der Einfachheit und Miniaturisierbarkeit sowie der Toleranz gegenüber Positionierungsschwankungen. Entscheidend für weitere Verbesserungen dieser Art ist die Erhöhung des technisch genutzten Sensorsignalhubes pro Sensorfläche bzw. pro Feldänderung. Die Ausnutzung des AMR-Effektes ist in dieser Hinsicht an Grenzen gestoßen. Jedoch bietet der kürzlich entdeckte GMR-Effekt die Möglichkeit, entsprechende Technologiesprünge auszulösen. Im Vergleich zum AMR-Effekt ist die Magnetowiderstandswirkung in GMR- Systemen gigantisch, denn sie wird durch ein anderes physikalisches Wirkprinzip hervorgerufen. Wiederum ein anderes physikalisches Wirkprinzip erzeugt den zuletzt entdeckten, im Vergleich zu den anderen noch einmal erheblich gesteigerten und daher als kolossal bezeichneten Magnetowiderstandseffekt CMR. Von diesem ist noch nicht klar, ob er für Anwendungsfelder in Frage kommt, die für AMR und GMR geeignet sind. Ebenso neu ist der GMI-Effekt, der im Gegensatz zu den anderen nur den Wechselstromwiderstand verändert. Auch dessen Anwendungspotential in der Sensorik ist noch nicht geklärt. Verwandt mit dem GMR-Effekt ist der TMR-Effekt, welcher insbesondere in dem über die Sensorik hinausgehenden Bereich der Magnetoelektronik als sehr vielversprechend diskutiert wird. 13

14 Speicherdichte Computerfestplatten [Mbit/in 2 ] Jährliche Steigerungsrate ca. 30%/Jahr ca. 60%/Jahr Einführung der AMR-Leseköpfe Jahr Abbildung 3: Die Einführung von AMR-Sensoren in Festplattenleseköpfen hat zu Beginn der 90er Jahre zu einer Verdoppelung der Geschwindigkeit bei der Erhöhung der Speicherdichten von Computerfestplatten geführt. Im Bereich der Massendatenspeicher wie auch in anderen Bereichen ist die Sensorik eine Schlüsseltechnologie. Quelle [1]. Stand der Forschung und bisherige Entwicklung Eine durch ein Magnetfeld hervorgerufene, mehr oder weniger starke Änderung des elektrischen Widerstandes tritt bei allen Materialien auf und hängt mit der Ablenkung der Transportelektronen durch das Magnetfeld zusammen (Hall- Effekt). Unter technischen Gesichtspunkten sind die speziellen Magnetowiderstandseffekte AMR, GMR, TMR, GMI und CMR von besonderem Interesse, die nur bei bestimmten magnetischen Materialsystemen auftreten und eine wesentlich stärkere relative Änderung des elektrischen Widerstandes als der Hall- Effekt hervorrufen. Diese Effekte sind nicht nur hinsichtlich ihrer Größe, sondern auch wegen der unterschiedlichen zugrundeliegenden physikalischen Wirkmechanismen zu unterscheiden. Die Größe des physikalischen Effektes wird in der relativen Widerstandsänderung R/R angegeben. Die für technische Anwendungen entscheidende Größe ist die relative Widerstandsänderung 14

15 pro angelegtem äußeren Magnetfeld R/R/ H, welche als die Sensitivität S bezeichnet wird. Je größer die Sensitivität, desto deutlicher der Signalhub eines potentiellen Sensors. Bevor die jeweils unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien erläutert werden, gibt Tabelle 1 einen Überblick über die verschiedenen Magnetowiderstandseffekte. Eine Vorstellung von den hier betrachteten Magnetfeldstärken vermittelt Abbildung 4. 15

16 Effekt AMR GMR TMR CMR GMI Parameter Größe des Magnetowiderstandseffektes: Relative Widerstandsänderung R / R [%] Sensitivität S = R / R / H [% / Oe] physikalisches Wirkprinzip 3 bis 4 6 bis 8 im Sandwich, bis 100 in Vielfachschicht, bis 20 in granularen Medien bei Raumtemperatur, 200 bei tiefen Temperaturen 1 bis 2 bei kleinen Feldern anisotroper Streuquerschnitt im Volumen Sandwich: typisch 0,01 bei mittleren Feldern, Vielfachschichten: bis 3 in kleinen Feldern, granulare Medien: bis 0,01 bei hohen Feldern, quasigranulare Medien: bis 1 bei kleinen Feldern. spinabhängige Streuung, Grenzflächeneffekt entdeckt bei Schichtsystemen, 1992 bei granularen Medien erste technische Anwendungen erste Vorschläge 1971, in Leseköpfen seit 1990 erste Vorschläge 1995 für Schichtsysteme, erster Sensor 1996, granulare Medien bisher nicht bis 20 bei Raumtemperatur im Sandwich, bis 8 in granularen Medien bis 1,5 kleinen Feldern Spinabhängiges Tunneln durch Isolatorschicht 200 bis 400 bei Raumtemperatur, bis 10 8 bei tiefen Temperaturen bei hohen Feldern Phasenübergang, intrinsische Festkörpereigenschaft bei tiefen Temperaturen, 1993 bei Raumtemperatur erste Vorschläge bisher nicht 1995 Z / Z bis 360 Z / Z / H 10 bis 30 bei kleinen bis mittleren Feldern Impedanz in zweiter Ordnung abhängig von Permeabilität 1992 erste Vorschläge 1995 Tabelle 1: Übersicht der verschiedenen Magnetowiderstandseffekte (außer dem Hall-Effekt). Den verschiedenen Typen liegen jeweils unterschiedliche physikalische Wirkprinzipien zugrunde. Die absolute Größe des physikalischen Effektes wird in R/R ausgedrückt. Eine für die Sensorik entscheidende Größe ist die Sensitivität S. Soweit nicht anders angegeben, beziehen sich die Werte auf Raumtemperatur. Die in manchen Publikationen genannten zum Teil höheren Spitzenwerte für R/R werden unter Sonderbedingungen (meist tiefe Temperaturen) erzielt. 16

17 Niedrigste erreichte Nachweisgrenze von Low-T C SQUIDs Niedrigste erreichte Nachweisgrenze von High-T C SQUIDs Niedrigste geschätzte Nachweisgrenze von GMR-Sensoren Niedrigste erreichte Nachweisgrenze von AMR-Sensoren Magnetfeld von Hirnströmen: pt-bereich Magnetfeld von Herzströmen: nt-bereich Erdmagnetfeld ca. 0.5 G Erforderliche Felder zum Erreichen des TMR- bzw. GMR-Effektes in Schichtsystemen Felder von Magnetspeicherbits (z.b. Festplatten): mt-bereich Erforderliche Felder zum Erreichen des AMR-Effektes Erforderliche Felder zum Erreichen des GMR-Effektes in granularen Medien Erforderliche Felder zum Erreichen des CMR-Effektes Maximale technisch herstellbare Magnetfelder B [Tesla] Magnetfeldstärke H [Oersted] Schaltfelder Weichmagnete Schaltfelder Hartmagnete Abbildung 4: Die Magnetfelder, die in natürlichen und technischen Umgebungen auftreten, variieren in ihrer Stärke über 16 Größenordnungen. Auf der Skala sind - gruppiert um die beim Kompaß genutzte Stärke des Erdmagnetfeldes - verschiedene in dieser Studie angesprochene Magnetfeldstärken markiert. Dabei kann die Einordnung nur grob sein reale Systeme mit ihren individuellen Eigenschaften sind hier nicht dargestellt! Daß ein erheblicher Unterschied zwischen der Feldstärke zum Erreichen des AMR-Effektes und der niedrigsten Nachweisgrenze für einen AMR-Sensor besteht, erklärt sich daraus, daß ein Sensor neben dem AMR-Element über Flußkonzentratoren und andere Komponenten verfügt, welche seine Sensitivität erhöhen. Neben der Skala in der SI-Einheit Tesla (für die magnetische Flußdichte B) ist die vielfach gebräuchliche Einheit Oersted (Oe, für die magnetische Feldstärke H) angegeben. 17

18 2.2 AMR-Effekt Mit AMR wird der Effekt bezeichnet, daß der Widerstand für elektrische Ströme parallel und senkrecht zur Magnetisierungsrichtung eines Leitermaterials verschieden ist. In günstigen Fällen liegt die Größe des Unterschiedes bei einigen Prozent [2]. Damit sind Stoffe, die einen großen AMR-Effekt zeigen, als Magnetfeldsensoren interessant. Das Prinzip solcher Sensoren ist einfach: Eine Magnetfeldänderung erzeugt eine Änderung des elektrischen Widerstandes in einem dünnen Film eines weichund ferromagnetischen Übergangsmetalls, welches über eine einfache Elektronik ausgelesen wird. Die Schwelle zur technischen Anwendung des AMR wurde erst mehr als 100 Jahre nach seiner Entdeckung erreicht. Dieser Schritt hatte die Verfügbarkeit erster mikroelektronischer Systeme und Dünnschichttechniken zur Voraussetzung. In den 70er Jahren wurden erste Anwendungen des AMR-Effektes vorgeschlagen. Mittlerweile ist diese Technologie im Bereich der Computerfestplattenleseköpfe etabliert. Im Bereich Automobil, Fahrzeuge, Robotik, Maschinenbau beginnt erst langsam der Einzug der AMR- Technologie. Sie kommt z. B. bei Kraftfahrzeugen, bei der Kontrolle von Lage und Geschwindikeit von bewegten Teilen, z. B. beim ABS-System, in Frage. Bisher wird dort meist noch auf Hall-Sensoren zurückgegriffen. Bei diesen Anwendungen müßte das zu kontrollierende Teil mit einem Permanentmagneten versehen werden. Man kann z. B. einen Magnetstreifen anbringen, so daß man außer der Lage auch noch weitere Informationen in kodierter Form sensorisch abfragen kann. So ist zu erwarten, daß Sensoren von mechanischen Parametern zusätzlich Funktionen ähnlich denen von Leseköpfen erfüllen werden. Im Bereich der Festplattenleseköpfe wurde vor allem das gegenüber den induktiven Leseköpfen größere Miniaturisierungspotential der AMR-Technologie genutzt (vgl. Abbildung 3). Abgesehen von der Miniaturisierung sind die technischen Anforderungen an Sensoren in den Bereichen Fahrzeuge und Maschinen viel höher als bei Leseköpfen: Beim Auslesen von Magnetspeicherbits muß nur ein digitales Signal erkannt (0 oder 1) werden. Bei Sensoren mechanischer Parameter (Beispiel ABS) müssen kontinuierliche Werte zuverlässig erfaßt werden. Dafür ist nicht nur ein ausreichender Signalhub, sondern vor allem keine oder eine sehr geringe Hysterese der Feld-Spannungskennlinie sowie Temperaturstabilität der Sensorantwort erforderlich. Als Materialien für AMR-Sensoren finden hauptsächlich Legierungen aus Fe, Ni und Co Verwendung. Amorphe Stoffe zeigen einen im Vergleich zu kristal- 18

19 linen Stoffen geringeren AMR-Effekt, sind aber wegen anderer willkommener Materialeigenschaften interessant. Die Entwicklung der AMR-Sensoren hat bereits zu Sensorsystemen geführt, die für Anwendungen in Automobilen und im Anlagenbau ausreichend sensitiv und widerstandsfähig gegen Erwärmung, Korrosion und Störfelder sind [3]. Das technisch nutzbare Potential des AMR- Effektes ist aber noch keineswegs erschöpft. Forschung und Entwicklung AMR Der physikalische AMR-Grundeffekt ist nicht mehr in erster Linie Thema der Forschung. Vielmehr geht es darum, mit bestimmten Herstellungsverfahren integrierte Sensorsysteme herzustellen, welche maßgeschneiderte Eigenschaften besitzen. Man arbeitet an weiteren Verbesserungen der für empfindliche Sensoren wichtigen weichmagnetischen Eigenschaften und des MR-Effektes durch z. B. Zusatz bestimmter Elemente (Nb, Au, etc.) in NiFe-Schichten. Im Rahmen der technischen Optimierung von AMR-Anwendungen wurden Verfahren zur Kontrolle der Nichtlinearitäten und der Temperaturabhängigkeit bei der AMR- Sensorantwort sowie der Reduzierung des Barkhausen-Rauschens durch Stützfelder hartmagnetischer Schichten entwickelt. Auch geht es darum, Produktionsverfahren mit geringer Exemplarstreuung sowie Simulationsmodelle zu entwickeln, die eine gezielte Anwendungsoptimierung ermöglichen. Wichtiges Ziel der Entwicklung anwendungsfähiger Lösungen ist eine möglichst lineare Kennlinie. Auch geht es um die Optimierung der Form der AMR-Sensorschicht, siehe z. B. [4], sowie um die Integration von geeigneten Flußkonzentratoren ( Magnetfeldantennen ), um den AMR-Effekt zur Messung extrem kleiner Felder einsetzen zu können. Es sind mittlerweile Werte für die Empfindlichkeit im Bereich von Pikotesla ereicht; Femtotesla werden für möglich gehalten und angestrebt [5]. Damit werden AMR-Sensoren so leistungsfähig, daß sie biomagnetische Felder messen können. Im Bereich der Messung kleinster Felder (z. B. zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Magnetokardiographie etc.) wird damit die MR-Technologie zum Konkurrent der HTSL-SQUIDs. Noch sind die Eigenschaften nicht erreicht, welche die HTSL-SQUIDs auszeichnen, jedoch sind die Werte der AMR-Sensoren nicht mehr weit entfernt und werden vor allem bei Raumtemperatur erreicht [6]. Ein Vergleich von Leistungswerten der MR-Sensoren und SQUIDs findet sich in Kapitel 2.13 bzw. Tabelle 2. Der AMR-Effekt wird heute im Rahmen konkreter Technologieentwicklung untersucht. Beteiligt sind in erster Linie Werkstoff- bzw. Ingenieurwissenschaftler. Die AMR-Technologie wird in enger Zusammenarbeit zwischen anwendungsorientierten Instituten und Anwendern vorangetrieben. In den Berei- 19

20 chen Maschinen- und Fahrzeugbau wird sie anderen Sensortechniken, insbesondere den Hall-Sensoren Konkurrenz machen. In Spezialbereichen wird sie eine Alternative zu der aufwendigen Supraleitermagnetsensorik werden. Außerdem ist zu erwarten, daß der AMR-Technologie eine Öffnungsfunktion für die MR-Sensorik insgesamt zukommt, so daß für die GMR-Sensorik erheblich kürzere Diffusionszeiten zu erwarten sind als für die AMR-Sensorik. 2.3 GMR-Effekt Die Beherrschung von Schichtdicken magnetischer Materialien bis hinein in den Nanometerbereich hat zur Entdeckung einer völlig neuen Klasse von Magnetowiderstandseffekten geführt fanden Grünberg und Fert einen neuen MR-Effekt, der wegen seiner im Vergleich zum AMR gigantischen Größe als gigantischer Magnetowiderstandseffekt GMR bezeichnet wird [7, 8]. In der einfachsten Form wird der GMR-Effekt in einem System gefunden, welches aus zwei magnetischen Schichten (z. B. aus Kobalt) besteht, unterbrochen von einer nichtmagnetischen Zwischenschicht (z. B. Kupfer). Die maximale durch ein äußeres Magnetfeld ausgelöste relative Widerstandserhöhung in einem solchen einfachen Sandwich beträgt 6 bis 8%. Gegenüber dem AMR-Effekt ist dies etwa eine Verdoppelung. Hinzu kommt, daß der GMR-Effekt ganz wesentlich dadurch vergrößert werden kann, indem man von einem Sandwich zu einer Vielfachschicht übergeht. Rekordwerte für die Widerstandsänderung liegen hier bei über 100% [9]. Es war sofort klar, daß diese Entdeckung für zukünftige Sensorikanwendungen von großem Interesse ist. Der GMR-Effekt zeigt sich außer in dem beschriebenen Schichtsystem auch in anderen magnetisch heterogenen Systemen (siehe Abbildung 5 und weiter unten im Text). Der GMR-Effekt nutzt den Spin der Elektronen in neuartiger Weise: Der elektrische Widerstand der Sandwich-Schichtung hängt vom Winkel zwischen der oberen und unteren Magnetisierung ab. Die den Widerstand verursachende Streuung der Elektronen wird vergrößert, wenn die Magnetisierungsrichtung der beiden Grenzschichten nicht parallel ist. Der Widerstand ist am größten bei antiparalleler Einstellung, am kleinsten bei paralleler Einstellung (wie in Abbildung 5 angedeutet). Zwar ist die Deutung des GMR noch umstritten, jedoch kann als akzeptiert gelten, daß es sich dabei um ein Grenzflächenphänomen handelt und nicht um eine Eigenschaft des dreidimensionalen Festkörpers. Der GMR-Effekt wurde als erstes 1988 an Fe/Cr/Fe-Schichtungen gefunden. 20

21 Danach zeigte sich, daß auch Co/Cu/Co-Schichten einen großen GMR-Effekt aufweisen. Bei Raumtemperatur fand man den GMR-Effekt erstmals 1991 [10]. Magnetisch homogene Systeme AMR z.b. Ni 81 Fe 19 (Permalloy) R/R [%] 3 Magnetisch heterogene Systeme äußeres Magnetfeld H [Oe] nichtmagnetische, leitende Zwischenschicht (Schichtdicke bis 10 nm) GMR in Schichtsystemen z.b. Co/Cu/Co-Sandwich Co Cu Co R/R [%] 6 nichtmagnetische, nichtleitende Zwischenschicht (Schichtdicke bis 5 nm) TMR in Schichtsystemen z.b. Co/Al 2 O 3/ Co-Sandwich Co Co Al 2 O 3 R/R [%] äußeres Magnetfeld H [Oe] Co-Ausscheidungen (Durchmesser ca. 4 nm, Abstand ca. 8 nm) GMR in granularen Systemen z.b. Cu-Co R/R [%] äußeres Magnetfeld H [Oe] Cu-Matrix (nichtmagnetisch) äußeres Magnetfeld H [Oe] Abbildung 5: Übersicht über die verschiedenen Materialstrukturen, welche MR- Effekte zeigen. Gezeigt ist rechts die zugehörige charakteristische Magnetowiderstandskennlinie R/R gegen H, die man beim Durchfahren des äußeren Feldes erhält (schematisch). Durch die gestrichelte Linie wird das Hystereseverhalten deutlich. Die für die H-Achse angegebenen Werte verdeutlichen grob die Größenordnung, in der ein äußeres Feld den MR-Effekt auslöst. 21

22 Zunächst wurde vermutet, daß der GMR-Effekt in Zusammenhang steht mit der ebenfalls an Fe/Cr/Fe-Schichtungen 1986 neu entdeckten sogenannten Zwischenschichtkopplung [11]. Die Zwischenschichtkopplung bezeichnet die magnetische Austauschkopplung zweier magnetischer Schichten über eine nichtmagnetische Zwischenschicht hinweg 1. Diese Zwischenschicht kann bis knapp 10 nm dick sein. Neben der Tatsache, daß die magnetische Kopplung ü- berhaupt eine Distanz dieser Art zu überbrücken in der Lage ist, war bei der Entdeckung der Zwischenschichtkopplung neu und unerwartet, daß je nach Dicke der Zwischenschicht die benachbarten magnetischen Schichten entweder parallel ( ferromagnetische Kopplung) oder antiparallel ( antiferromagnetische Kopplung) magnetisiert oder die Magnetisierungsrichtungen sogar um 90 gedreht sind [12]. Die Wellenlänge der Oszillation zwischen diesen Zuständen beträgt etwa 2 bis 4 nm entsprechend Monolagen. Tatsächlich wurde der GMR zuerst an Fe/Cr/Fe-Schichtungen mit antiferromagnetischer Zwischenschichtkopplung gefunden. Daher ergab sich anfangs die Vermutung, daß beide Effekte GMR und Zwischenschichtkopplung miteinander verknüpft sind. Mit der Beobachtung des GMR-Effektes auch bei Schichtungen ohne Zwischenschichtkopplung, bei denen ein Winkel zwischen den Magnetisierungen auf andere Weise erreicht wird, war diese Vermutung widerlegt [13]. Man kann also den GMR-Effekt in Schichtsystemen mit oder ohne Zwischenschichtkopplung erreichen. Man unterscheidet daher in der Gruppe der GMR-Schichtsysteme gekoppelte und ungekoppelte GMR-Systeme, je nachdem ob die nichtmagnetische Zwischenschicht dünn genug ist, um die Zwischenschichtkopplung wirksam werden zu lassen. In beiden Fällen wird jedoch der GMR-Effekt durch denselben physikalischen Wirkmechanismus hervorgerufen. Dies war zunächst unklar, weshalb man aus historischen Gründen die ungekoppelten Syteme zur Unterscheidung häufig als spin valves bezeichnet. Für Sensoranwendungen kommen sowohl gekoppelte als auch ungekoppelte GMR-Systeme in Betracht. Beide haben bestimmte Vor- und Nachteile (siehe Kapitel 2.9). Für Sensoranwendungen ist wichtig, daß der GMR-Effekt von einem äußeren Magnetfeld (von z. B. einem Speicherbit oder einem Gebermagnet) der ge- 1 Die Zwischenschichtkopplung ist nicht gleich der magnetostatischen Wechselwirkung, welche zwar auch über Distanzen hinweg wirkt, aber viel schwächer ist. 22

23 wünschten Stärke ausgelöst werden kann. Bei gekoppelten Systemen kann dies erreicht werden, in dem eine Voreinstellung gewählt wird, bei der die magnetischen Schichten anders als ferromagnetisch koppeln. Bei ungekoppelten Systemen müssen die beiden magnetischen Schichten eines Sandwiches so ausgelegt sein, daß eine Schicht leicht in Feldern der gewünschten Stärke ummagnetisiert, die andere dagegen ihre Magnetisierung in denselben Feldern beibehält. Mit anderen Worten: Eine Schicht muß weichmagnetisches Verhalten zeigen, die anderen dagegen ausreichend widerstandsfähig gegen Ummagnetisierung sein. Dies kann man dadurch erreichen, daß sich die Schichten in der Koerzitivfeldstärke leicht unterscheiden. Eine alternative Maßnahme besteht darin, die Magnetisierung von jeweils einer Schicht festzupinnen. Dazu kann man den Austauschanisotropieeffekt (exchange anisotropy) nutzen. Dieser kommt durch die Wechselwirkung eines Ferromagneten mit einem angrenzenden Antiferromagneten zustande und wirkt sich so aus, daß die Ummagnetisierungskurve des Ferromagneten auf der H-Achse verschoben ist. Wählt man diesen Weg, so wird auf eine der magnetischen Schichten eine weitere antiferromagnetische aufgetragen. Aus dem Sandwich wird damit ein System aus vier Schichten, z. B. NiFe/Cu/NiFe/Fe 50 Mn 50 mit Fe 50 Mn 50 als antiferromagnetische Schicht, welche die Austauschkopplung bewirkt. Mit Systemen dieser Art werden gegenwärtig Spitzenwerte für die Sensitivität von ca. 1,5%/Oe erreicht [14]. Einen Übersichtsartikel zur Zwischenschichtkopplung bietet [15] und zum GMR-Effekt in Schichtsystemen [16]. Aufgrund des hohen Interesses in Forschung und Industrie am GMR-Effekt sind in relativ kurzer Zeit schon eine große Palette von Materialzusammensetzungen und Schichtvarianten untersucht und teilweise auch schon patentiert worden. Demgegenüber steht eine große Variationsbreite der in Frage kommenden Legierungen sowie der Schichtkombinationen 2.4 GMR-Effekt in granularen Systemen Eine weitere Klasse von Materialien, in denen der GMR-Effekt 1992 entdeckt wurde, sind granulare Systeme. Dabei handelt es sich um Legierungen, bei denen magnetische Ausscheidungen (Granulate) in einer nichtmagnetischen Matrix eingebettet sind (siehe Abbildung 5). Diese granularen Systeme können auch als einfache dünne Schicht hergestellt werden. An solchen Schichten aus granularem Material wurde der GMR-Effekt erstmals in einem anderen System als 23

24 in den aufwendigeren Vielfachschichten (wie in Kapitel 2.3 beschrieben) gefunden [17, 18]. Kurz darauf zeigte sich, daß solche granularen Legierungen auch in Form dicker Bänder (Dicke im m-bereich) durch Rascherstarrungsverfahren hergestellt werden können [19]. Ebenso wie bei den Vielfachschichten sind die Grenzflächen zwischen den Materialsorten für den GMR-Effekt verantwortlich. Anders als bei den Vielfachschichten bilden nicht einzeln aufgetragene Schichten, sondern die Ausscheidungen und das umgebende Material die Grenzflächen und bewirken den GMR-Effekt. Die granularen Ausscheidungen, deren Durchmesser typischerweise bei 4 nm und deren Abstand typischerweise bei 8 nm Nanometer liegt, sind zunächst mit statistischer Verteilung magnetisiert. Unter Wirkung eines äußeren Magnetfeldes wird die statistische Verteilung aufgehoben, so daß mehr magnetische Momente parallel als antiparallel relativ zum Stromfluß stehen. Daher verändert sich die spinabhängige Streuung und der Widerstand sinkt (siehe Abbildung 5). Die granularen GMR-Systeme haben im Vergleich zu den GMR-Schichtsystemen den Vorteil, daß sie einfacher und billiger herzustellen sind. Man erhält relativ leicht Widerstandsänderungen im Magnetfeld von etwa R/R = 20%. Im Gegensatz zu Schichtsystemen ist die Hysterese sehr klein, was die Signalauflösung verbessert bzw. die Signalauswertung vereinfacht. In der Sensitivität S sind gegenwärtig granulare Materialien den Vielfachschichtsystemen jedoch deutlich unterlegen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der magnetische Teil der granularen GMR-Systeme noch nicht so weichmagnetisch reagiert wie die entsprechende Schicht bei Schichtsystemen. Die Eigenschaft, weichmagnetisch zu sein, hängt nicht nur von der Materialzusammensetzung ab, sondern auch von der Form des zu magnetisierenden Volumens. In dieser Hinsicht sind die Schichtsysteme gegenüber den kugelförmigen magnetischen Granulaten im Vorteil. Bei letzteren ist aus geometrischen Gründen die Entmagnetisierungsenergie größer als bei den Schichten, weshalb sie weniger leicht als diese aufzumagnetisieren sind. Nach nach dem gegenwärtigen Stand der Forschung sind je nach Materialsystem hohe Ummagnetisierungsfelder von einem oder mehreren Tesla nötig, um den GMR-Effekt in granularen Medien auszulösen. Bei den meisten technischen Anwendungen stehen jedoch nur deutlich kleinere Felder zur Verfügung. Neben den reinen oder einfachen granularen Systemen, zu denen Cu-Co oder Ag-Co-Systeme gehören, werden verschiedene nanostrukturierte Systeme unter Verwendung granularer Anteile untersucht, welche den GMR-Effekt zeigen und bezüglich Anwendungen bessere Eigenschaften erreichen bzw. versprechen als die reinen granularen Systeme. Es sind dies: 24

25 Massivmaterialien (bulk materials), bei denen eine granulare Nanostruktur auf metallurgische Weise eingestellt werden kann. Bei bestimmten Permanentmagnetwerkstoffen bildet sich aufgrund der sogenannten spinodalen Entmischung eine zweiphasige Nanostruktur. Diese besteht aus einer stäbchenförmigen Ausscheidung von z. B. magnetischen Fe und Co einerseits und nichtmagnetischem Ni und Al andererseits. Somit wird im metallurgischen Herstellungsprozeß automatisch eine Grenzflächenstruktur geschaffen, welche bei den Schichtsystemen künstlich hergestellt wird. Auf diese Weise können auch Bänder von einigen 100 m Dicke hergestellt werden. Beispiele sind die Permanentmagnete AlNiCo und FeCrCo [20, 21]. Werte für R/R bis 3% bei Raumtemperatur wurden erreicht. Auch hier sind noch relativ hohe Magnetfelder (> 1 Tesla) notwendig, um den GMR-Effekt auszulösen. Vorteile der AlNiCo- und FeCrCo-GMR-Systeme sind die einfache, kostengünstige Herstellungsweise und die hohen Werte für die Sprungtemperatur T C, welche über 600 C liegt. Zum Vergleich: Die maximalen Einsatztemperaturen von AMR- und GMR-Sensorschichtsystemen liegen bei ca. 200 C. Granulare Vielfachschichten sind Systeme, bei denen eine granulare Schicht, welche vorwiegend für den GMR-Effekt verantwortlich ist, mit anderen Schichten kombiniert wird. Beispiele sind Ag/AgCo und Cu/AgCo, wobei jeweils AgCo das eigentliche granulare System darstellt. Es entsteht jedoch über die oben erwähnte Zwischenschichtkopplung eine Wechselwirkung mit anderen Schichten, was zu einer Verbesserung der Sensitivität führt (etwa einen Faktor 10 besser als die einfachen granularen Schichten, aber mit S < 0,1%/Oe immer noch klein im Vergleich zu den Vielfachschichten, vgl. Tabelle 1). Diskontinuierliche Vielfachschichten (quasigranulare Systeme) sind Systeme, welche zwar als Vielfachschichten hergestellt werden, aber im Endresultat des Herstellungsprozesses nicht mehr aus getrennten Schichten bestehen, sondern ein quasigranulares Gefüge bilden. Zur Zeit gibt es zwei Beispiele für quasigranulare Systeme: Bei NiFe/Ag werden zwei Schichtmaterialien mit großer Gitterfehlanpassung zunächst als Schichtsystem aufgebracht. Durch nachfolgende Wärmebehandlung wird die ursprüngliche Schichtstruktur aufgebrochen, so daß sich die Materialien gegenseitig durchdringen und eine granulare Struktur bilden [22]. Mit diesem diskontinuierlichen Ni- Fe/Ag-System konnten die bisher besten Werte für die Sensitivität bei granularen Medien erzielt werden (S = 1%/Oe) [23]. Ein weiteres Beispiel für quasigranulare Systeme sind ultradünne Co/Ag-Schichten. Dabei wird die 25

26 Diskontinuität dadurch erreicht, daß die Co-Schicht so dünn aufgebracht wird (< 1 nm), daß sie keine deckende Schicht bildet. Damit konnten hohe Werte für R/R von mehr als 50% erzielt werden [24]. Welche Werte damit für die Sensitivität erreicht werden, konnte nicht ermittelt werden. Hybrid-Strukturen aus Schicht- und granularen Systemen, bei denen man versucht, die vorteilhaften Eigenschaften beider Sorten zu kombinieren. So erreicht man mit Systemen aus Co/NiFe/Ag/Ag hohe Werte in der Sensitivität (bis zu S = 6,5%/Oe, allerdings bisher nur bei tiefen Temperaturen und weiteren Sonderbedingungen) [24]. Die Idee dabei ist, die GMR-Eigenschaften der nichtdeckenden ultradünnen Co-Schicht mit dem weichmagnetischen Verhalten der NiFe-Lage zu verbinden. Mit den genannten Systemen hofft man, Synergieeffekte von Schicht- und granularen Systemen zu erzielen, um die spezifischen Vorteile dieser beiden GMR-Systeme zu kombinieren. Es scheint, daß man auch mit granularen Systemen in Form von Hybridschichten, quasigranularen Schichten oder granularen Vielfachschichten die für Sensoranwendungen erforderlichen Werte in der Sensitivität erreichen kann, siehe auch [76]. Jedoch ist es besonders bei den komplizierten Hybridschichten fraglich, ob der Vorteil der Einfachheit gegenüber den GMR-Schichtsystemen aufrechtzuerhalten ist. 2.5 TMR-Effekt Die Entdeckung des GMR-Effektes stimulierte die Untersuchung einer ähnlich starken Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit bei Tunnelkontakten. Diese Tunnelkontakte sind Schichtsysteme ähnlich den schon beschriebeben GMR- Schichtsystemen. Sie bestehen wie diese im einfachsten Fall aus zwei (ferro-) magnetischen Schichten, die durch eine nicht(ferro-)magnetische Zwischenschicht getrennt sind. Im Gegensatz zu den GMR-Schichtsystemen ist jedoch die Zwischenschicht zusätzlich nichtleitend, also aus einem Isolatormaterial. Ist diese Zwischenlage dünn genug, so können Elektronen diese dennoch durch den quantenmechanischen Tunneleffekt überwinden und es kann ein Strom durch den Tunnelkontakt fließen. Frühe Arbeiten deuteten schon in den 70er Jahren darauf hin, daß dieser Tunnelstrom bzw. der elektrische Widerstand dieses Tunnelstroms von der relativen Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt [25]. Die zunächst gefundenen Magnetowiderstandseffekte waren jedoch nur bei tiefen Temperaturen in der Größenordnung des GMR-Effektes, bei Raumtemperatur jedoch sehr klein (z. B. R/R = 7,7% bei Fe/GdO x /Fe bei 4,2 K [26]. Ziel der Forschung war es seitdem, einen Magnetowiderstandseffekt in 26

27 Tunnelkontakten zu finden, der auch bei Raumtemperatur giant ist. Dies wurde erstmals 1994 mit R/R = 18% bei Fe/Al 2 O 3 /Fe bei 300 K erreicht [27], siehe auch [28]. Dieser Effekt wird als Tunnelmagnetowiderstand oder TMR- Effekt bezeichnet. Bei TMR-Systemen wurde jüngst in einem Co- Fe/Al 2 O 3 /NiFe-TMR-System eine hohe Sensitivität (S =1,4%/Oe) erreicht [29]. Damit sind TMR-Systeme in diesem wichtigen Parameter mit GMR-Systemen (Sandwich) gegenwärtig gleichauf. Der TMR-Effekt ist verwandt mit dem GMR-Effekt 2, wird aber dennoch durch ein anderes physikalisches Wirkprinzip hervorgerufen. Während der magnetisch beeinflußte Widerstandseffekt bei GMR-Systemen durch spinabhängige Streuung zustande kommt, wird dieser Effekt bei TMR-Systemen durch spinabhängiges Tunneln verursacht. Während bei einem GMR-Sandwich die mittlere Schicht ein zwar nichtmagnetischer, aber doch metallischer Leiter ist, wird sie beim TMR durch eine isolierende nichtmagnetische Schicht ersetzt. Daraus ergibt sich der mit Bezug auf Anwendungen wichtigste Unterschied von GMR- und TMR-Systemen: GMR-Elemente sind niederohmig, TMR- Elemente hochohmig. Damit ein ausreichender Tunnelstrom zustande kommt, müssen die nichtleitenden Schichten beim TMR-Schichtsystem sehr dünn (kleiner als 5 nm) sein; bei GMR-Elementen können sie bis 10 nm betragen (siehe Abbildung 5). Mittlerweile wird auch ein TMR-Effekt in granularen Systemen gefunden, bei denen magnetische Granulate in einer nichtmagnetischen und nichtleitenden Matrix eingebettet sind (Co-Granulate in einer Al 2 O 3 -Matrix [30]). Es wurden Werte bis R/R = 8% erreicht, wobei das Gesamtsystem einen besonders hohen elektrischen Widerstand hat. 2.6 Forschung GMR und TMR Von besonderem wissenschaftlichen Interesse ist die mikroskopische Deutung des GMR- und des TMR-Effektes. Von besonderem technischen Interesse ist die Steigerung der MR-Effekte (Steigerung von R/R) und Erhöhung der Sensitivität S (S= R/R/ H) über den gegenwärtigen Standard von typischerweise S= 0,1%/Oe (GMR) und 0,3%/Oe 2 Deshalb wird vom TMR häufig auch als dem tunnel-type GMR gesprochen. Auch sind teilweise andere Sprechweisen und Abkürzungen in Gebrauch, wie JMR für junction magnetoresistance oder MTJ für magnetic tunnel junction. 27

28 (TMR) hinaus durch Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften, Verbesserung der Hystereseeigenschaften sowie Temperatur- und Langzeitstabilität. Die zur Zeit am weitesten verbreitete Interpretation des GMR-Effektes geht davon aus, daß die Streuraten für Elektronen mit Spin auf und Spin ab (bezogen auf die Magnetisierungen der magnetischen Filme) verschieden sind. Mit dieser Annahme kann man zeigen, daß die Raten bei antiparalleler Anordnung benachbarter magnetischer Filme oder Cluster größer sind als bei paralleler Anordnung. Die Abhängigkeit der Raten von der Ausrichtung der Spins kann man mikroskopisch auf die Bandstrukturen der magnetischen Materialien und ihre Zustandsdichten an der Fermi-Kante zurückführen. Allerdings ist diese Deutung nicht unwidersprochen. Bei einer anderen Erklärung nimmt man an, daß sich die Bandstrukturen von Schichtungen mit der magnetischen Ausrichtung verändern, was ja bereits durch die Veränderung der Einheitszelle eintritt. Es ist qualitativ klar, daß eine Veränderung der Bandstruktur auch das Transportverhalten verändert. Weitere Themen betreffen z. B. die Unterschiede in der Stärke des GMR- Effektes, die bei verschiedener Richtung der angelegten Spannung und des Stromes auftreten. Insbesondere der Unterschied zwischen der sogenannten CIP(current in plane)- und der CPP(current perpendicular plane)-geometrie, bei der der Strom parallel, bzw. senkrecht zur Schichtebene fließt, werden eingehend untersucht (siehe Abbildung 6 und [31, 32]). In der CPP-Geometrie ist der GMR-Effekt größer, da der Strom nicht in die leitenden Schichten ausweichen kann, sondern die spintragenden Elektronen die Zwischenschicht durchqueren müssen. In der CPP-Geometrie ist die Widerstandsänderung wie beim TMR- Effekt mit einem Tunneleffekt verbunden. Beim GMR-Effekt ergibt die CPP- Geometrie zwar den größeren MR-Effekt, ist aber experimentell wesentlich schwieriger zu realisieren als die CIP-Geometrie. Dafür hat die CPP-Anordnung den Vorteil, daß die theoretische und darauf aufbauend die numerische Behandlung des Problems wesentlich einfacher ist und zu besseren Resultaten führt. Ein System in CPP-Anordnung kann auch als ein Spinfilter betrachtet werden: Der Widerstand erhöht sich bei nicht-paralleler Magnetisierung der Schichten, weil ein Teil der Spineinstellungen beim Tunneln benachteiligt ist. Zusätzlich wurde gezeigt, daß Elektronen im Mittel durch eine größere Zahl von Lagen tunneln können, bevor die Spinpolarisation verschwindet [32]. Dies kann dazu genutzt werden, eine bestimmte Spinpolarisation in Metallen anzureichern, was die Voraussetzung zur Konstruktion eines Transistors ist (siehe Kapitel 3.1.2). 28