Tunneling Magneto Resistance

Tunneling Magneto Resistance
Magnetischer Tunnelkontakt (schematisch)

Der magnetische Tunnelwiderstand (engl. Tunnel Magneto Resistance, Abk: TMR) ist ein magnetoresistiver Effekt, der in magnetischen Tunnelkontakten auftritt. Dabei handelt es sich um ein Bauelement bestehend aus zwei Ferromagneten, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Ist die isolierende Schicht dünn genug (typisch einige Nanometer), so können Elektronen zwischen den beiden Ferromagneten tunneln. Da dieser Vorgang in der klassischen Physik verboten ist, ist der magnetische Tunnelwiderstand ein rein quantenmechanisches Phänomen.

Magnetische Tunnelkontakte werden in Dünnschichttechnologie gefertig. Zur Schichtherstellung im industriellen Maßstab wird dazu Magnetron-Sputtern eingesetzt, im Labormaßstab aber auch Molekularstrahlepitaxie, Laserstrahlverdampfen, Elektronenstrahlverdampfen und Ionenstrahl-Sputtern. Die eigentlichen Kontakte werden mit Fotolithographie erzeugt.

Inhaltsverzeichnis

Anschauliche Beschreibung

Mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes kann die Richtung der Magnetisierung der beiden magnetischen Schichten unabhängig voneinander gesteuert werden. Wenn die Magnetisierungen gleich ausgerichtet sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen durch die Isolatorschicht hindurchtunneln größer als bei gegensätzlicher (antiparalleler) Ausrichtung. Damit kann der elektrische Widerstand des Kontakts zwischen zwei unterschiedlichen Widerstandszuständen – binär also 0 und 1 – hin und her geschaltet werden.

Geschichte

Entdeckt wurde der Effekt 1975 von M. Jullière (Universität Rennes, Frankreich) in Fe/Ge-O/Co-Kontakten bei 4,2 K.[1] Da die relative Widerstandsänderung bei Raumtemperatur unter 1 % war, fand die Entdeckung zunächst wenig Beachtung. 1991 fand T. Miyazaki (Universität Tohoku, Japan) einen Effekt von 2,7 % bei Raumtemperatur und 1994 einen „Riesen-TMR-Effekt“ von 18 % bei Raumtemperatur (Eisenschichten getrennt durch einen amorphen Aluminiumoxid-Isolator).[2] Die höchsten bisher beobachteten Effekte bei Kontakten auf Aluminiumoxid-Basis lagen bei 70 % bei Raumtemperatur.

Seit 2000 werden Tunnelbarrieren aus Magnesiumoxid (MgO) entwickelt. Heute (2009) werden mit CoFeB/MgO/CoFeB Kontakten Effekte bis 600 % bei Raumtemperatur erreicht, bei 4,2 K sogar über 1100 %.

Anwendung

Die Leseköpfe moderner Festplatten-Laufwerke arbeiten heute auf der Basis von magnetischen Tunnelkontakten. Ein neuartiger nichtflüchtiger Datenspeicher, der so genannte MRAM, wird auf Grundlage des TMR entwickelt. Auch für Sensoranwendungen (z. B. in ABS-Sensoren im Kraftfahrzeug) kommen magnetische Tunnelkontakte zum Einsatz.

Physikalische Erklärung

Zweistrommodell für parallele und antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen

Die relative Widerstandsänderung, oder auch die Effektamplitude, ist definiert als

TMR := \frac{R_{ap}-R_{p}}{R_{p}}

worin Rap den elektrischen Widerstand im antiparallelen Zustand und Rp den elektrischen Widerstand im parallelen Zustand beschreiben.

Der TMR-Effekt wurde von Jullière auf die Spinpolarisation der einzelnen ferromagnetischen Elektroden eines magnetische Tunnelkontaktes zurückgeführt. Die Spinpolarisation P ergibt sich aus der spinabhängigen Zustandsdichte (engl. density of states, Abk: DOS) \mathcal{D} der Elektronen an der Fermi-Kante:

P = \frac{\mathcal{D}_\uparrow(E_\mathrm{F}) - \mathcal{D}_\downarrow(E_\mathrm{F})}{\mathcal{D}_\uparrow(E_\mathrm{F}) + \mathcal{D}_\downarrow(E_\mathrm{F})}

Die spin-up Elektronen sind dabei diejenigen, deren Spin-Ausrichtung parallel zur Magnetisierung liegt, die Spin-down-Elektronen sind jene mit antiparalleler Spin-Ausrichtung. Die relative Widerstandsänderung ergibt sich nun aus den Spinpolarisationen der beiden Ferromagnete, P1 und P2:

TMR = \frac{2 P_1 P_2}{1 - P_1 P_2}

Wird keine Spannung an die Elektroden angelegt, tunneln Elektronen in beide Richtungen mit gleichen Raten. Legt man eine Spannung U an, tunneln Elektronen präferenziell in Richtung der positiven Elektrode. Unter der Annahme, dass der Spin beim tunneln erhalten bleibt, kann der Strom mit einem Zweistrommodell beschrieben werden; man zerlegt hier den Gesamtstrom in einen spin-up- und einen spin-down-Anteil. Diese sind unterschiedlich groß, in Abhängigkeit vom magnetischen Zustand des Kontakts.

Um einen definierten antiparallelen Zustand zu erhalten gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits kann man ferromagnetische Elektroden mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken (durch unterschiedliche Materialien oder unterschiedliche Schichtdicken) einsetzen. Andererseits kann eine der beiden Schichten mit einem Antiferromagneten gekoppelt werden (engl.: exchange bias). In diesem Fall bleibt die Magnetisierung der ungekoppelten Elektrode „frei“.

Der TMR nimmt sowohl mit zunehmender Temperatur wie auch mit zunehmender Spannung ab. Beides kann prinzipiell durch Magnonanregung bzw. Wechselwirkung mit Magnonen verstanden werden.

Offensichtlich gilt, dass der TMR unendlich wird, falls P1 und P2 gleich 1 sind, bzw. beide Elektroden 100 % spinpolarisiert sind. In diesem Fall wird der magnetische Tunnelkontakt zu einem Schalter, der zwischen endlichem (kleinen) Widerstand und unendlichem Widerstand auf magnetischer Basis schalten kann. Materialien die hierfür in Frage kommen werden als ferromagnetische Halbmetalle bezeichnet. Ihre Leitungselektronen sind vollständig spinpolarisiert. Theoretisch vorhergesagt ist diese Eigenschaft für eine Reihe von Materialien (z. B. CrO2, verschiedene Heuslersche Legierungen), konnte jedoch bisher nicht experimentell bestätigt werden.


Siehe auch


Weblinks

Einzelnachweise

  1. M. Jullière: Tunneling between ferromagnetic films. In: Physics Letters A. 54, 1975, S. 225-226 (doi:10.1016/0375-9601(75)90174-7). 
  2. T. Miyazaki, N. Tezuka: Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 139, 1995, S. L231-L234 (doi:10.1016/0304-8853(95)90001-2) (PDF). 
Weitere noch unzugeordnete Erstveröffentlichungn
  • J. S. Moodera et al.: Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions. In: Phys. Rev. Lett.. 74, 1995, S. 3273–3276. doi:10.1103/PhysRevLett.74.3273
  • G. Binasch et al.: Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange. In: Phys. Rev. B. 39, 1989, S. 4828–4830. doi:10.1103/PhysRevB.39.4828
  • M. N. Baibich et al.: Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices. In: Phys. Rev. Lett.. 61, 1988, S. 2472–2475. doi:10.1103/PhysRevLett.61.2472]
  • J. S. Moodera and George Mathon: Spin polarized tunneling in ferromagnetic junctions. In: Magn. Magn. Mater.. 200, 1999, S. 248–273. doi:10.1016/S0304-8853(99)00515-6
  • W. H. Butler, X.-G. Zhang, T. C. Schulthess, and J. M. MacLaren: Spin-dependent tunneling conductance of Fe/MgO/Fe sandwiches. In: Phys. Rev. B. 63, 2001, S. 054416. doi:10.1103/PhysRevB.63.054416
  • J. Mathon and A. Umerski: Theory of tunneling magnetoresistance of an epitaxial Fe/MgO/Fe (001) junction. In: Phys. Rev. B. 63, 2001, S. 220403. doi:10.1103/PhysRevB.63.220403
  • S Yuasa, T Nagahama, A Fukushima, Y Suzuki, and K Ando: Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions. In: Nat. Mat.. 3, 2004, S. 868–871. doi:10.1038/nmat1257
  • S. S. P. Parkin et al: Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers. In: Nat. Mat.. 3, 2004, S. 862–867. doi:10.1038/nmat1256

Wikimedia Foundation.

Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Magnetoelektronik — Die Magnetoelektronik ist ein Bereich der Elektronik, der einen neuartigen Ansatz zur Realisierung elektronischer Bauelemente beschreibt. Während bei der herkömmlichen Mikroelektronik Information durch Elektronen und Defektelektronen beschrieben… …   Deutsch Wikipedia

  • Exchange Bias — Als Exchange Bias (EB) bezeichnet man eine unidirektionale Anisotropie (deshalb auch unidirectional exchange anisotropy genannt), die durch die Kopplung zwischen einem Ferro und einem Antiferromagneten entsteht. Der Exchange Bias bewirkt eine… …   Deutsch Wikipedia

  • Spin torque transfer — writing technology is a technology in which data is written by aligning the spin direction of the electrons flowing through a TMR (tunneling magneto resistance) element. Data writing is performed by using a spin polarized current with the… …   Wikipedia

  • Jagadeesh Moodera — Jagadeesh Subbaiah Moodera (* 3. Dezember 1950 in Bangalore, Indien) ist ein indisch US amerikanischer Physiker, der sich mit Festkörperphysik beschäftigt. Leben und Werk Moodera studierte an der Mysore University (Master Abschluss, 1973) und… …   Deutsch Wikipedia

  • Terunobu Miyazaki — (jap. 宮崎 照宣, Miyazaki Terunobu; * 15. Juni 1943 in der Präfektur Saitama, Japan) ist ein japanischer Physiker, der sich mit Festkörperphysik beschäftigt. Miyazaki studierte Angewandte Physik an der Universität Tōhoku, wo er 1969 seinen Master… …   Deutsch Wikipedia

  • List of nanotechnology applications — Part of a series of articles on Nanotechnology …   Wikipedia

  • MTJ — Magnetischer Tunnelkontakt (schematisch) Der magnetische Tunnelwiderstand (engl. Tunnel Magneto Resistance, Abk: TMR) ist ein magnetoresistiver Effekt, der in magnetischen Tunnelkontakten auftritt. Dabei handelt es sich um ein Bauelement… …   Deutsch Wikipedia

  • Magnetic Tunnel Junction — Magnetischer Tunnelkontakt (schematisch) Der magnetische Tunnelwiderstand (engl. Tunnel Magneto Resistance, Abk: TMR) ist ein magnetoresistiver Effekt, der in magnetischen Tunnelkontakten auftritt. Dabei handelt es sich um ein Bauelement… …   Deutsch Wikipedia

  • TMR-Effekt — Magnetischer Tunnelkontakt (schematisch) Der magnetische Tunnelwiderstand (engl. Tunnel Magneto Resistance, Abk: TMR) ist ein magnetoresistiver Effekt, der in magnetischen Tunnelkontakten auftritt. Dabei handelt es sich um ein Bauelement… …   Deutsch Wikipedia

  • Шехтер, Роберт — Роберт Шехтер (1947, Харьков) советский и шведский физик. Родился на Украине. Окончил Харьковский университет (1965). Специальность «Теоретическая физика, физика твёрдого тела». В 1970 году в Харьковском университете защитил кандидатскую… …   Википедия

Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”