Magnetowiderstand - Magnetoresistance

Magnetowiderstand ist die Tendenz eines Materials (oft ferromagnetisch), den Wert seines elektrischen Widerstands in einem von außen angelegten Magnetfeld zu ändern . Es gibt eine Vielzahl von Effekten, die als Magnetowiderstand bezeichnet werden können. Einige treten in nichtmagnetischen Metallen und Halbleitern auf, wie der geometrische Magnetowiderstand, Shubnikov-de-Haas-Oszillationen oder der übliche positive Magnetowiderstand in Metallen. Andere Effekte treten bei magnetischen Metallen auf, wie beispielsweise negativer Magnetowiderstand bei Ferromagneten oder anisotroper Magnetowiderstand (AMR). Schließlich können in Mehrkomponenten- oder Mehrschichtsystemen (zB magnetische Tunnelkontakte) Riesenmagnetwiderstand (GMR), Tunnelmagnetwiderstand (TMR), kolossaler Magnetwiderstand (CMR) und außerordentlicher Magnetwiderstand (EMR) beobachtet werden.

Der erste magnetoresistive Effekt wurde 1856 von William Thomson , besser bekannt als Lord Kelvin, entdeckt, aber er konnte den elektrischen Widerstand von nichts um mehr als 5% senken. Heutzutage sind Systeme bekannt, die Halbmetalle und konzentrische Ring- EMR- Strukturen umfassen. Bei diesen kann ein Magnetfeld den Widerstand um Größenordnungen verstellen. Da verschiedene Mechanismen den Widerstand verändern können, ist es sinnvoll, Situationen, in denen er direkt von einem Magnetfeld abhängt (zB geometrischer Magnetowiderstand und Multiband-Magnetowiderstand) und solche, bei denen dies indirekt durch Magnetisierung geschieht (zB AMR und TMR ), getrennt zu betrachten.

Entdeckung

William Thomson (Lord Kelvin) entdeckte 1856 zum ersten Mal den gewöhnlichen Magnetowiderstand. Er experimentierte mit Eisenstücken und entdeckte, dass der Widerstand zunimmt, wenn der Strom in die gleiche Richtung wie die Magnetkraft fließt, und abnimmt, wenn der Strom 90° zur Magnetkraft beträgt . Dann führte er das gleiche Experiment mit Nickel durch und stellte fest, dass es auf die gleiche Weise beeinflusst wurde, aber das Ausmaß der Wirkung war größer. Dieser Effekt wird als anisotroper Magnetowiderstand (AMR) bezeichnet.

Animation über Graphen im Zusammenhang mit der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands .
Corbino-Scheibe. Bei ausgeschaltetem Magnetfeld fließt ein radialer Strom im leitenden Ringraum aufgrund der zwischen die (unendlichen) Leitfähigkeitsränder geschalteten Batterie. Wenn ein Magnetfeld entlang der Achse eingeschaltet wird (B zeigt direkt aus dem Bildschirm heraus), treibt die Lorentzkraft eine kreisförmige Stromkomponente und der Widerstand zwischen dem inneren und äußeren Rand steigt. Diese Widerstandserhöhung durch das Magnetfeld wird als Magnetowiderstand bezeichnet .

2007 erhielten Albert Fert und Peter Grünberg gemeinsam den Nobelpreis für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands .

Geometrischer Magnetwiderstand

Ein Beispiel für Magnetowiderstand aufgrund der direkten Einwirkung eines Magnetfelds auf elektrischen Strom kann an einer Corbino-Scheibe untersucht werden (siehe Abbildung). Es besteht aus einem leitenden Ring mit perfekt leitenden Rändern. Ohne Magnetfeld treibt die Batterie einen radialen Strom zwischen den Felgen. Wenn ein Magnetfeld senkrecht zur Ebene des Rings angelegt wird (entweder in die Seite hinein oder aus der Seite heraus), fließt aufgrund der Lorentz-Kraft auch eine kreisförmige Stromkomponente . Das anfängliche Interesse an diesem Problem begann 1886 bei Boltzmann und wurde 1911 von Corbino unabhängig erneut untersucht.

In einem einfachen Modell, angenommen die Reaktion auf die Lorentzkraft ist die gleiche wie bei einem elektrischen Feld, ist die Trägergeschwindigkeit v gegeben durch:

wobei μ die Trägermobilität ist. Wenn wir nach der Geschwindigkeit auflösen, finden wir:

wobei die effektive Verringerung der Mobilität aufgrund des B- Feldes (für eine Bewegung senkrecht zu diesem Feld) offensichtlich ist. Der elektrische Strom (proportional zur radialen Geschwindigkeitskomponente) nimmt mit zunehmendem Magnetfeld ab und somit erhöht sich der Widerstand des Geräts. Entscheidend ist, dass dieses magnetoresistive Szenario empfindlich von der Gerätegeometrie und den Stromleitungen abhängt und nicht auf magnetische Materialien angewiesen ist.

In einem Halbleiter mit einem einzelnen Trägertyp ist der Magnetowiderstand proportional zu (1 + ( μB ) 2 ), wobei μ die Halbleitermobilität (Einheiten m 2 ·V −1 ·s −1 oder T  −1 ) und B die Magnetfeld (Einheiten Tesla ). Indiumantimonid , ein Beispiel für einen Halbleiter mit hoher Mobilität, könnte eine Elektronenbeweglichkeit von über 4 m 2 ·V –1 ·s –1 bei 300 K aufweisen. In einem Feld von 0,25 T würde die Erhöhung des Magnetowiderstands also beispielsweise 100 % betragen.

Anisotroper Magnetowiderstand (AMR)

Der Widerstand einer dünnen Permalloy - Schicht wird hier als Funktion des Winkels eines angelegten externen Feldes gezeigt.

Thomsons Experimente sind ein Beispiel für AMR, eine Materialeigenschaft, bei der eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands vom Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Stroms und der Magnetisierungsrichtung beobachtet wird. Der Effekt entsteht durch die gleichzeitige Wirkung von Magnetisierung und Spin-Bahn-Wechselwirkung und sein detaillierter Mechanismus hängt vom Material ab. Dies kann beispielsweise an einer größeren Wahrscheinlichkeit der sd-Streuung von Elektronen in Richtung der Magnetisierung liegen (die durch das angelegte Magnetfeld gesteuert wird). Der Nettoeffekt (bei den meisten Materialien) besteht darin, dass der elektrische Widerstand den maximalen Wert hat, wenn die Stromrichtung parallel zum angelegten Magnetfeld verläuft. AMR neuer Materialien wird untersucht und bei einigen ferromagnetischen Uranverbindungen wurden Größenordnungen von bis zu 50 % beobachtet.

In polykristallinen ferromagnetischen Materialien kann die AMR nur vom Winkel zwischen Magnetisierung und Stromrichtung abhängen und muss (solange der spezifische Widerstand des Materials durch einen Rang-2-Tensor beschrieben werden kann) folgen

wobei der (Längs-) spezifische Widerstand des Films und sind die spezifischen Widerstände für und , respectively. In Verbindung mit dem Längswiderstand gibt es auch den Querwiderstand, der (etwas verwirrend [1] ) als planarer Hall-Effekt bezeichnet wird. Bei Einkristallen hängt der spezifische Widerstand auch individuell ab.

Um die nichtlinearen Eigenschaften und die Unfähigkeit, die Polarität eines Magnetfelds zu erfassen, zu kompensieren, wird die folgende Struktur für Sensoren verwendet. Es besteht aus Streifen aus Aluminium oder Gold, die auf einem dünnen Film aus Permalloy (einem ferromagnetischen Material mit AMR-Effekt) angebracht sind, das in einem Winkel von 45° geneigt ist. Diese Struktur zwingt den Strom, nicht entlang der „leichten Achsen“ des Dünnfilms zu fließen, sondern in einem Winkel von 45°. Die Widerstandsabhängigkeit hat nun einen permanenten Offset, der um den Nullpunkt linear ist. Aufgrund seines Aussehens wird dieser Sensortyp „ Barber Pole “ genannt.

Der AMR-Effekt wird in einer Vielzahl von Sensoren zur Messung des Erdmagnetfelds (elektronischer Kompass ), zur Messung des elektrischen Stroms (durch Messung des um den Leiter erzeugten Magnetfelds), zur Verkehrserkennung und zur linearen Positions- und Winkelerfassung genutzt. Die größten Hersteller von AMR-Sensoren sind Honeywell , NXP Semiconductors , STMicroelectronics und Sensitec GmbH .

Als theoretische Aspekte leiteten IA Campbell, A. Fert und O. Jaoul (CFJ) einen Ausdruck des AMR-Verhältnisses für Ni-basierte Legierungen unter Verwendung des Zweistrommodells mit ss- und sd-Streuprozessen ab, wobei s ein Leitungselektron und d sind 3d-Zustände mit der Spin-Bahn-Wechselwirkung. Das AMR-Verhältnis wird ausgedrückt als

mit und , wobei , , und eine Spin-Bahn-Kopplungskonstante (sog. ), ein Austauschfeld bzw. ein spezifischer Widerstand für Spin sind. Darüber hinaus haben Satoshi Kokado et al. haben den allgemeinen Ausdruck des AMR-Verhältnisses für 3d-Übergangsmetall-Ferromagneten erhalten, indem sie die CFJ-Theorie auf eine allgemeinere erweitert haben. Der allgemeine Ausdruck kann auch auf Halbmetalle angewendet werden.

Siehe auch

Fußnoten

  • 1. Der (gewöhnliche) Hall-Effekt ändert das Vorzeichen bei der Magnetfeldumkehr und ist ein Orbitaleffekt (ohne Bezug zum Spin) aufgrund der Lorentzkraft. Transversaler AMR (planarer Hall-Effekt) ändert das Vorzeichen nicht und wird durch Spin-Bahn-Wechselwirkung verursacht .

Verweise

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