Magnetischer Tunnelwiderstand

Magnetischer Tunnelkontakt (schematisch)

Der magnetische Tunnelwiderstand (englisch tunnel magnetoresistance, TMR) ist ein magnetoresistiver Effekt, der in magnetischen Tunnelkontakten (engl. magnetic tunnel junction, MTJ) 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. Dieser Vorgang ist mit Hilfe der klassischen Physik nicht erklärbar und stellt daher ein rein quantenmechanisches Phänomen dar.

Magnetische Tunnelkontakte werden in Dünnschichttechnologie gefertigt. 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 Fotolithografie erzeugt.

Anschauliche Beschreibung

Mithilfe 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 Terunobu 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 Festplattenlaufwerke 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 R_ap den elektrischen Widerstand im antiparallelen Zustand und R_p den elektrischen Widerstand im parallelen Zustand beschreiben.

Der TMR-Effekt wurde von Jullière auf die Spinpolarisation der einzelnen ferromagnetischen Elektroden eines magnetischen 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 präferenziert 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.

Tunnelbarrieren aus MgO nehmen eine Sonderrolle ein. Falls die Grenzflächen zwischen den Ferromagneten und dem MgO epitaktisch sind, die Kristallgitter also versetzungsfrei aufeinander passen, können zusätzliche Filterungseffekte auftreten. Dabei werden Elektronen mit bestimmter Orbitalsymmetrie unterdrückt, während andere nahezu ungehindert tunneln können. Die Elektronen, die dann fast ungehindert passieren können, entstammen Bändern, die eine besonders hohe Polarisation aufweisen.

Siehe auch

• CMR-Effekt
• AMR-Effekt
• GMR-Effekt
• Magnetoelektronik

Weblinks

• Preis für T. Miyazaki

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

• Jagadeesh 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.