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VDI-Technologiezentrum Zukünftige Technologien 1 Vorwort Im Rahmen des Integrierten Technologiemanagements durch die Abteilung 'Zukünftige Technologien' des VDI-Technologiezentrums liegt ein Schwerpunkt auf der Technologiefrüherkennung. Ziel dieser Tätigkeit ist es, aussichtsreiche Technologieansätze zu ermitteln und durch geeignete Maßnahmen voranzutrei- ben. 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 Be- trachtungsperspektiven. 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 Anwendungs- felder 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 er- stellt, die neben Workshops und Veranstaltungen einen wichtigen Bestandteil des Informationstransfers, dem dritten Teilziel unserer Technologiefrüherken- nungstätigkeit, 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 Traditi- on in Wissenschaft und Anwendung besitzt, sich andererseits interessante neue- re Entwicklungen abzeichnen. Für Deutschland besitzen die Magnettechnolo- gien zum Beispiel im Fahrzeug- und Maschinenbau große industrielle Bedeu- tung. Als Analyseansatz für ein ganzes Gebiet der Physik bietet sich ein Scree- ning der verschiedenen Teilgebiete des Magnetismus an, um Ansätzen unter- schiedlichen Reifegrades sowie unterschiedlichen Neuheitsgrades in ihrer Viel- falt 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 Ergeb- nisse geboten. Dr. Dr. Axel Zweck

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VDI-TechnologiezentrumZukünftige Technologien

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Vorwort

Im Rahmen des Integrierten Technologiemanagements durch die Abteilung'Zukünftige Technologien' des VDI-Technologiezentrums liegt ein Schwerpunktauf der Technologiefrüherkennung. Ziel dieser Tätigkeit ist es, aussichtsreicheTechnologieansätze zu ermitteln und durch geeignete Maßnahmen voranzutrei-ben. Diese Analysetätigkeit gliedert sich in drei Teilziele, die allerdings in derPraxis nicht immer strikt voneinander abgrenzbar sind. Erstes Teilziel ist dasSuchen und Identifizieren relevanter technischer Innovationspotentiale. NeueAnsätze ergeben sich vor allem durch Entdecken eines neuen Effektes, durchWeiterentwicklungen bekannter Ansätze oder durch Heranziehen neuer Be-trachtungsperspektiven.

Dem möglichst frühzeitigen Identifizieren eines neuen Themengebietes folgteine Bewertung im Kontext der technisch-wirtschaftlichen Gesamtentwicklung.Bei diesem Teilziel geht es vor allem um die Analyse potentieller Anwendungs-felder und deren zeitlicher Realisierungsperspektiven, um die Analyse desAufwandes zur Realisierung dieser Anwendungen sowie der Auswirkungen aufandere Technologien und auf Mensch und Umwelt.

Auf Basis der Ergebnisse dieser Bewertung werden Technologieanalysen er-stellt, die neben Workshops und Veranstaltungen einen wichtigen Bestandteildes Informationstransfers, dem dritten Teilziel unserer Technologiefrüherken-nungstätigkeit, darstellen.

Gegenüber anderen von uns bearbeiteten Gebieten, wie Nanotechnologie oderAdaptronik, liegt die Herausforderung einer Technologieanalyse zum BereichMagnetismus darin, daß dieses Technologiegebiet einerseits eine lange Traditi-on in Wissenschaft und Anwendung besitzt, sich andererseits interessante neue-re Entwicklungen abzeichnen. Für Deutschland besitzen die Magnettechnolo-gien zum Beispiel im Fahrzeug- und Maschinenbau große industrielle Bedeu-tung. Als Analyseansatz für ein ganzes Gebiet der Physik bietet sich ein Scree-ning der verschiedenen Teilgebiete des Magnetismus an, um Ansätzen unter-schiedlichen Reifegrades sowie unterschiedlichen Neuheitsgrades in ihrer Viel-falt gerecht zu werden.

Die vorliegende Technologieanalyse zu den XMR-Technologien ist Teil einerübergreifenden Studie zum Magnetismus. In Anbetracht von Aktualität undUmfang des Themas erscheint uns jedoch eine separate Präsentation der Ergeb-nisse geboten.

Dr. Dr. Axel Zweck

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Vorwort......................................................................................................................................1Glossar........................................................................................................................................3

1 Einleitung (Inklusive Abstract)............................................................................................ 5

2 XMR-Technologien: Magnetoelektronik, Sensorik ......................................................... 11

2.1 Übersicht: Von Magnetowiderstandseffekten zu XMR-Technologien.............................. 132.2 AMR-Effekt ....................................................................................................................... 182.3 GMR-Effekt ....................................................................................................................... 202.4 GMR-Effekt in granularen Systemen................................................................................. 232.5 TMR-Effekt ........................................................................................................................ 262.6 Forschung GMR und TMR ................................................................................................ 272.7 Werden GMR-Sensoren die besseren AMR-Sensoren?..................................................... 312.8 Bieten GMR- oder TMR-Systeme die besseren Anwendungseigenschaften? ................... 332.9 Gekoppelte versus ungekoppelte GMR-Schichtsysteme.................................................... 352.10 CMR-Effekt...................................................................................................................... 372.11 GMI-Effekt ....................................................................................................................... 442.12 Anwendungen des GMI-Effektes in der Sensorik? .......................................................... 452.13 Messung extrem kleiner Felder: XMR-Technologien versus SQUIDs............................ 45

3 ............................................................................................................................................... 48

3 Innovationsimpulse aus dem Bereich der Magnetoelektronik........................................ 48

3.1 Informationstechnik und Elektronik................................................................................... 493.1.1 Leseköpfe für Magnetspeicher..................................................................................... 493.1.2 Magnetoelektronik, Spintransistoren, Magnet-Halbleiter-Strukturen ........................ 503.1.3 Magnetische RAM-Datenspeicher (MRAM)................................................................ 52

3.2 Maschinen- und Fahrzeugbau (Sensorik)........................................................................... 553.3 Medizintechnik, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung ......................................................... 563.4 Mikrosystemtechnik ........................................................................................................... 573.5 Bolometer, magnetische Schalter, neue magnetische Massenspeicher, Sensoren?............ 57

4 Zusammenfassende Bewertung.......................................................................................... 59

4.1 Stellenwert der Anwendungsbereiche/Problemlösungsbeiträge ........................................ 594.2 F&E-Bedarf ........................................................................................................................ 604.3 Hemmnisse ......................................................................................................................... 614.4 Günstige Rahmenbedingungen........................................................................................... 624.5 Aktivitäten in Industrie und Ausland ................................................................................. 634.6 Ergebnisse der Patentrecherche.......................................................................................... 654.7 Ergebnisse der Expertenbefragung..................................................................................... 684.8 Generelle Bewertung (Problemlösungsbeiträge, Technikfolgen)....................................... 69

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4.9 Förderaktivitäten ................................................................................................................ 74

5 Literatur............................................................................................................................... 76

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Glossar

XMR-Technologien Oberbegriff des auf den MagnetowiderstandseffektenAMR, GMR, TMR, CMR und GMI beruhenden techni-schen Know-hows

MR-Effekte Magnetoresistive bzw. Magnetowiderstandseffekte ein-schließlich des Magnetowechselstromwiderstandes bzw.Magnetoimpedanz (MI)

AMR Anisotroper Magnetowiderstand (anisotropic magnetore-sistance)

GMR Riesenmagnetowiderstand (giant magnetoresistance)TMR Tunnelmagnetowiderstand (tunneling magnetoresistan-

ce)CMR Kolossaler Magnetowiderstand (colossal magnetore-

sistance)GMI Riesenmagnetoimpedanz bzw. -wechselstromwiderstand

(giant magnetoimpedance)MRAM Magnetischer Schreib-Lese-Speicher (Arbeitsspeicher,

magnetic, random access memory)

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1 Einleitung (Inklusive Abstract)

Der Einsatz neuer Technologien ist ein wesentlicher die Innovationsdynamikbestimmender Faktor. Die inhaltliche Qualität anwendungsrelevanter Forschungallein begründet im internationalen Vergleich noch keinen Innovationsvor-sprung des Standortes Deutschland. Standort- und Wettbewerbsvorteile lassensich jedoch dann erzielen, wenn frühzeitig eine systematische und umsichtigeAufklärung der Anwendungsrelevanz neuer Forschungsergebnisse hinzukommt.Dies ist die Aufgabe der Technologiefrüherkennung. Information über entste-hende neue Technologien auf Basis neuer Grundlagenentdeckungen ist eineVoraussetzung zur gezielten Unterstützung und rechtzeitigen vorteilhaften Nut-zung dieser neuen Technologien.

Die vorliegende Technologiefrüherkennungsstudie ist Teil einer übergreifendenTechnologieanalyse im Bereich Magnetismus. Im Rahmen dieser Untersu-chung hat sich gezeigt, daß das Thema Magnetoelektronik/XMR-Technolo-gien von herausragender Aktualität und Relevanz im Sinne der Technologie-früherkennung ist: In diesem Feld werden

1. neuentdeckte physikalische Grundlageneffekte mit

2. großen technischen Anwendungsmöglichkeiten als Querschnittstechnologienfür

3. wichtige Wirtschaftsbereiche in Deutschland (u. a. Maschinenbau, Fahr-zeugtechnik, Elektronik)

angetroffen.

Es besteht daher eine begründete Erwartung, daß eine Darstellung des Potenti-als der XMR-Technologien als Beitrag zur Sicherung der technologischen undwirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit genutzt werden kann.

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Abstract: Was ist Magnetoelektronik?

Das Gebiet Magnetoelektronik ist neu, beruht aber in den grundsätzlichen As-pekten auf Effekten des Magnetismus. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturi-sierung bei der Erzeugung magnetischer Strukturen hat man überraschende neu-artige Effekte gefunden, welche die Wechselwirkung von elektrischen undmagnetischen Eigenschaften von Festkörpern betreffen. Die Nutzung dieser Ef-fekte ist überall dort naheliegend, wo man das technische Problem der Um-wandlung magnetischer Information in ein elektrisches Signal zu lösen hat. Diesist der Fall in vielen Bereichen der Sensorik, bei Leseköpfen von Magnetbän-dern und Festplatten, in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und in der Me-dizintechnik. In einem weiteren Schritt können diese Effekte auch als Grund-bausteine neuartiger Datenspeicherelemente (MRAM – magnetic random accessmemory) und Komponenten der Elektronik (sogenannten Spintransistoren) die-nen.

In der Magnetoelektronik bedient man sich der Eigenschaft, daß die Ladungs-träger (Elektronen) zusätzlich zu ihrer Ladung auch ein magnetisches Moment(gekoppelt an ihren Spin) besitzen: Elektronen fungieren also als Träger deselektrischen Stroms und sind gleichzeitig Elementarmagnete.

Das magnetische Verhalten jedes Festkörpers wird durch die Art und Stärke derElementarmagnete und ihrer Wechselwirkung in einem Festkörper geprägt. Bis-her jedoch konnte man mit magnetischen Feldern „von außen“ das Verhaltendes 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. Die-se Effekte erlauben es nun, das elektrische Verhalten eines Systems (und damitdie Elektronik) sehr effizient mit magnetischen Mitteln zu beeinflussen. DieseMagnetowiderstandseffekte sind als Quantenphänomene von hohem Grundla-geninteresse und gleichzeitig von hoher Anwendungsrelevanz. Aus Grundele-menten, die die Magnetowiderstandseffekte nutzen, werden die Systeme derMagnetoelektronik aufgebaut. Von diesen magnetoelektronischen Systemenwerden erhebliche technische und wirtschaftliche Innovationsimpulse in denBereichen Sensorik für Maschinen-, Fahrzeugbau und Medizintechnik sowie imBereich der Elektronik und Informationstechnik erwartet:

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� Sensoren aller Art (auch für extreme Miniaturisierungen, für extrem hoheEmpfindlichkeit)

� 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. Massendaten-speicher

Die Magnetowiderstandssensorik ist eine robuste und im Prinzip einfacheTechnologie, die zunehmend im Wettbewerb mit anderen Sensortechnologienstehen wird, in denen höchste Miniaturisierung, geringerer Energieverbrauchund/oder extreme Empfindlichkeit gefordert sind.

Als Bausteine elektronischer Systeme basierend auf Magnettechnologie könnenSpintransistoren und magnetoelektronische Arbeitsspeicher (MRAMs) zu einerhöheren Miniaturisierung führen als allein auf Halbleitertechnologie basierende.Vorteile eines MRAM im Vergleich zum heutigen Halbleiterspeicher DRAMliegen bei kürzeren Zugriffszeiten und der nichtflüchtigen Datenspeicherungsowie einem deutlich einfacheren Grundaufbau der Systeme. Das Konzept derMRAMs verbindet die (prinzipbedingten) Vorteile der Halbleiterspeicher (hoheZugriffsgeschwindigkeit) mit denjenigen der magnetischen Massenpeicher (ho-he Speicherdichte).

Weiterhin gibt es Überlegungen, die „Bipolarität“ der Halbleiter, bestehend ausElektronen und Löchern, auf die beiden Spinrichtungen „auf und ab“ in magne-tischen Metallen abzubilden. Die Konzepte der Magnetoelektronik sollen neu-artiges Design elektronischer Schaltkreise sowie neue weiterführende Lösungenfür Logikbausteine und Magnet-Halbleiter-Schaltungen erlauben.

In dieser Studie diskutierte physikalische Effekte

� AMR (Anisotroper Magnetowiderstand)� GMR (Riesenmagnetowiderstand) in Schichtsystemen und granularen Me-

dien� CMR (Kolossaler Magnetowiderstand)� Magnetische Zwischenschichtkopplung� TMR Tunnelmagnetowiderstand bzw. Spinabhängiges Tunneln� GMI (Riesenmagnetoimpedanz)

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Der Hall-Effekt, der ebenfalls in die Klasse der magnetoelektronischen Effektegehört, soll hier nur am Rande betrachtet werden (Hall-Sonden im Vergleich zuMR-Sensoren in Kapitel 4).

Adressaten

Die vorliegende Studie soll einen Überblick über den aktuellen Stand von Wis-senschaft und Technik auf dem Gebiet der XMR-Technologien sowie über ihreBedeutung für Wissenschaft, Technik und Wirtschaft geben. Die Informationensind so aufbereitet, daß sie sowohl Forschern aus Hochschulen und Industrie inden Bereichen Festkörperphysik, insbesondere Magnetismus, Werkstoffwissen-schaften, Elektrotechnik, Sensorik und weiteren Bereichen ein Überblickswis-sen bieten als auch fachfremden, wissenschaftlich-technisch interessierten Ent-scheidungsträgern Informationen über Ansätze zukünftiger Technologien bie-ten.

Hinweis für Querleser

Wer vorwiegend an Anwendungs- bzw. Innovationsfeldern der XMR-Technolo-gien interessiert ist, kann direkt bei Kapitel 3, Seite 47, beginnen.

Eine kompakte Übersicht der Eigenschaften der hier diskutierten Magnetowi-derstandseffekte enthält Tabelle 1, Seite 16. Eine Vorstellung von den Größender 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, Speicher-magnete, Magnetooptik, Molekulare Magnete, Magnetostriktion und weitere,

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siehe Band 1). Zum Thema XMR-Technologien speziell wurden ca. 30 Exper-ten befragt. Das komprimierte Ergebnis der Expertenbefragung ist in Kapitel4.6, Seite 65 dargestellt.

Ausführlich wird in Band 1 der Technologieanalyse Magnetismus zu Fragen derWahl des Themas und der Herangehensweise, der Art der Informationsgewin-nung und der Bewertung sowie dem Stellenwert der einzelnen Teilbereiche desThemas Magnetismus Stellung genommen. Das Vorgehen bei der Technologie-früherkennung in allgemeiner Weise wird in Abbildung 1 vorgestellt.

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TechnologiefrüherkennungBiologie Physik Chemie

KongresseFachliteratur AuslandsbeobachtungEuropa USA Südostasien

Patente

Strukturierung, interne Analyse

ExpertengesprächeWorkshops

Spezielle Studien extern intern

Förderprogramme Inland Ausland

BEWERTUNGInnovationspotential

EntwicklungspotentialProblemlösungsbeiträge Realisierungshemmnisse

WISSENSTRANSFERdurch

TechnologieanalysenHandlungsempfehlungen

Publikationen Workshops

BMBF

Wirtschaft Institute

Projektträger

IDENTIFIKATIONSuche nach neuen Effekten

und Technologieperspektiven (bottom up)Suche nach Problemlösungsbeiträgen (top down)

Experten

� VDI-Technologiezentrum

Abbildung 1: Übersicht zur Technologiefrüherkennung durch das

VDI-Technologiezentrum.

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2 XMR-Technologien: Magnetoelektronik, Sensorik

Magnetoelektronik – physikalisch verstanden – bezeichnet solche Effekte, beidenen magnetische Eigenschaften eines Festkörpers bzw. Magnetfelder, die aufdieses System wirken, das Verhalten der Elektronen (die Elektronik) beeinflus-sen. Wichtigstes Beispiel sind die Magnetowiderstandseffekte (oder kurz MR-Effekte): Wird die Streuung von Elektronen beim Transport in Abhängigkeiteines Magnetfeldes geändert, so ändert sich der Ohmsche Widerstand bzw. derWechselstromwiderstand eines Systems. Jeweils ganz verschiedene physikali-sche Wirkprinzipien rufen Magnetowiderstandseffekte hervor.

Magnetoelektronik – technisch verstanden – bezeichnet eine neuartige Elekt-ronik, welche die Magnetowiderstandseffekte in elektronischen Bausteinen(MR-Sensoren, Spintransistoren, neuartigen RAM-Speichern MRAMs) nutzenwill.

Innerhalb des gesamten Bereiches Magnetismus zieht das Thema Magnetoelekt-ronik (physikalisch und technisch betrachtet) gegenwärtig das mit Abstandgrößte Interesse auf sich. Außer dem AMR-Effekt wurden alle Magnetowider-standseffekte innerhalb der letzten Dekade entdeckt. Sie sind von hohemGrundlageninteresse und gleichzeitig von hoher Anwendungsrelevanz. DerMagnetoelektronik werden erhebliche Innovationsimpulse in den BereichenSensorik für Maschinen-, Fahrzeugbau und Medizintechnik sowie im Bereichder 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 dasphysikalische Wirkprinzip kurz dargestellt und der Stand sowie die Themenaktueller Forschung beschrieben werden. Leitgedanke der Analyse ist, das Um-setzungs- und Innovationspotential der aus den grundlegenden physikalischenMagnetowiderstandseffekten erwachsenden XMR-Technologien aufzuzeigen.In knapper Form zusammenfassend nimmt Abbildung 2 das Ergebnis vorweg.

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Magnetowider-standseffekte

Neue Materialien

Magnetische Massenspeicher(Computerfestplatten)

MR-Sensoren(inkl. Leseköpfe)

Fahrzeugtechnik(Sensoren für mechanische Parameter, z.B. ABS)

Maschinenbau, Robotik(Sensoren für mechanische Parameter, z.B. Winkelmessung)

Informationstechnik(Leseköpfe, RAM-Speicher, Elektronik, Transistoren)

Medizintechnik(Sensoren für Biomagnetfelder)

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung(Sensoren mit extrem hoher Empfindlichkeit)

Mikrosystemtechnik(Sensorik und Elektronik auf einem Chip)

AMR

GMR

CMR

GMI

TMR

Magnetoelektronische Komponenten

(MRAMs, Spintransistoren Magnet-Halbleiter-

Elemente)

andere Bereiche

?

?

?

Physikalische Wechselwirkung

TechnologienAnwendungsbereiche

XMR-Technologien

� VDI-Technologiezentrum

Abbildung 2: Die Magnetowiderstandseffekte bilden zukünftige Bausteine für leis-tungsfähige Sensoren und magnetoelektronische Komponenten, welche Schlüs-seltechnologien für wichtige Anwendungsbereiche sind. Die Anwendungsbereichemit großer volkswirtschaftlicher Bedeutung und Nachfrage nach großen Stück-zahlen sind stärker umrandet. Außer dem Bereich der magnetischen Massenspei-cher betrifft dies auch in Deutschland wichtige Wirtschaftsfelder. Die Fragezeichenweisen darauf hin, daß Anwendungen des CMR-Effektes noch völlig offen sind.

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2.1 Übersicht: Von Magnetowiderstandseffekten zu XMR-Technologien

Die Magnetowiderstandseffekte sind zunächst für die Sensorik von Interesse:Magnetfeldänderungen, welche Indikatoren magnetischer, elektrischer oder me-chanischer Parameter sein können, werden direkt in ein elektrisches Signal um-gewandelt, welches berührungsfrei und im Prinzip leicht auslesbar ist. Dies isteine technisch vorteilhafte und elegante Lösung. Zu den Sensoren zählen auchdie Leseköpfe für Magnetspeichermedien, wie sie z. B. bei Computerfestplattenzur Anwendung kommen. Da es verschiedene andere Sensortypen gibt, welcheMagnetismuseffekte ausnutzen (z. B. Magnetostriktive Sensoren, siehe Band 1,Kapitel Magnetomechanik), bezeichnet man den hier betrachteten Bereich zu-sammenfassend 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 Jahrefür Leseköpfe in Computerfestplatten genutzt (Abbildung 3). Erste AMR-Sensoren in den Bereichen Maschinenbau und Fahrzeugtechnik sind gerade imBegriff in Anwendungen zu gelangen. Die MR-Sensorik ist kostengünstig her-zustellen und bietet gegenüber konkurrierenden Sensortechnologien Vorteileinsbesondere in der Einfachheit und Miniaturisierbarkeit sowie der Toleranzgegenüber Positionierungsschwankungen. Entscheidend für weitere Verbesse-rungen dieser Art ist die Erhöhung des technisch genutzten Sensorsignalhubespro Sensorfläche bzw. pro Feldänderung. Die Ausnutzung des AMR-Effektesist in dieser Hinsicht an Grenzen gestoßen. Jedoch bietet der kürzlich entdeckteGMR-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 Wirk-prinzip hervorgerufen. Wiederum ein anderes physikalisches Wirkprinzip er-zeugt den zuletzt entdeckten, im Vergleich zu den anderen noch einmal erheb-lich gesteigerten und daher als „kolossal“ bezeichneten Magnetowiderstandsef-fekt CMR. Von diesem ist noch nicht klar, ob er für Anwendungsfelder in Fragekommt, 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. Ver-wandt mit dem GMR-Effekt ist der TMR-Effekt, welcher insbesondere in demüber die Sensorik hinausgehenden Bereich der Magnetoelektronik als sehr viel-versprechend diskutiert wird.

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Stand der Forschung und bisherige Entwicklung

Eine durch ein Magnetfeld hervorgerufene, mehr oder weniger starke Änderungdes elektrischen Widerstandes tritt bei allen Materialien auf und hängt mit derAblenkung der Transportelektronen durch das Magnetfeld zusammen (Hall-Effekt). Unter technischen Gesichtspunkten sind die speziellen Magnetowider-standseffekte AMR, GMR, TMR, GMI und CMR von besonderem Interesse, dienur bei bestimmten magnetischen Materialsystemen auftreten und eine wesent-lich stärkere relative Änderung des elektrischen Widerstandes als der Hall-Effekt hervorrufen. Diese Effekte sind nicht nur hinsichtlich ihrer Größe, son-dern auch wegen der unterschiedlichen zugrundeliegenden physikalischenWirkmechanismen zu unterscheiden. Die Größe des physikalischen Effekteswird in der relativen Widerstandsänderung �R/R angegeben. Die für techni-sche Anwendungen entscheidende Größe ist die relative Widerstandsänderung

100

10

1000

1980 1990 2000

Einführung der AMR-Leseköpfe

Jährliche Steigerungsrate ca. 30%/Jahr ca. 60%/Jahr

Jahr

Spei

cher

dich

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n [M

bit/i

n2]

Abbildung 3: Die Einführung von AMR-Sensoren in Festplattenleseköpfen hatzu Beginn der 90er Jahre zu einer Verdoppelung der Geschwindigkeit bei derErhöhung der Speicherdichten von Computerfestplatten geführt. Im Bereichder Massendatenspeicher wie auch in anderen Bereichen ist die Sensorik eineSchlüsseltechnologie. Quelle [1].

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pro angelegtem äußeren Magnetfeld �R/R/�H, welche als die Sensitivität Sbezeichnet wird. Je größer die Sensitivität, desto deutlicher der Signalhub einespotentiellen Sensors.

Bevor die jeweils unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien erläutertwerden, gibt Tabelle 1 einen Überblick über die verschiedenen Magnetowider-standseffekte. Eine Vorstellung von den hier betrachteten Magnetfeldstärkenvermittelt Abbildung 4.

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Effekt

Parameter

AMR GMR TMR CMR GMI

Größe des Magneto-widerstandseffektes:Relative Widerstands-änderung�R / R[%]

3 bis 4 6 bis 8 im Sandwich,bis 100 in Vielfach-schicht,bis 20 in granularenMedien bei Raum-temperatur,200 bei tiefen Tem-peraturen

bis 20 beiRaumtemperaturim Sandwich,bis 8 in granula-ren Medien

200 bis 400 beiRaumtemperatur,bis 108 bei tiefenTemperaturen

�Z / Z bis360

SensitivitätS = �R / R / �H[% / Oe]

1 bis 2 bei kleinenFeldern

Sandwich:typisch 0,01 beimittleren Feldern,Vielfachschichten:bis 3 in kleinenFeldern,granulare Medien:bis 0,01 bei hohenFeldern,quasigranulare Me-dien:bis 1 bei kleinenFeldern.

bis 1,5 kleinenFeldern

0.001 bei hohenFeldern

�Z / Z / �H10 bis 30 beikleinen bismittlerenFeldern

physikalischesWirkprinzip

anisotroper Streu-querschnitt imVolumen

spinabhängige Streu-ung,Grenzflächeneffekt

SpinabhängigesTunneln durchIsolatorschicht

Phasenübergang,intrinsische Fest-körpereigen-schaft

Impedanz inzweiter Ord-nung abhän-gig von Per-meabilität

entdeckt 1857 1988 bei Schichtsys-temen,1992 bei granularenMedien

1994 1967 bei tiefenTemperaturen,1993 bei Raum-temperatur

1992

erste technischeAnwendungen

erste Vorschläge1971,in Leseköpfen seit1990

erste Vorschläge1995 für Schichtsys-teme, erster Sensor1996, granulareMedien bisher nicht

erste Vorschläge1995

bisher nicht erste Vor-schläge 1995

Tabelle 1: Übersicht der verschiedenen Magnetowiderstandseffekte (außerdem Hall-Effekt). Den verschiedenen Typen liegen jeweils unterschiedlichephysikalische Wirkprinzipien zugrunde. Die absolute Größe des physikalischenEffektes wird in �R/R ausgedrückt. Eine für die Sensorik entscheidende Größeist die Sensitivität S. Soweit nicht anders angegeben, beziehen sich die Werteauf Raumtemperatur. Die in manchen Publikationen genannten zum Teil höhe-ren Spitzenwerte für �R/R werden unter Sonderbedingungen (meist tiefe Tem-peraturen) erzielt.

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Schaltfelder Weichmagnete Schaltfelder Hartmagnete

10010-2 10-410-610-8 10-10 10-12 10-14 1

B [Tesla]Er

ford

erlic

he F

elde

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IDs

Magnetfeldstärke

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Abbildung 4: Die Magnetfelder, die in natürlichen und technischen Umgebungenauftreten, variieren in ihrer Stärke über 16 Größenordnungen. Auf der Skala sind- gruppiert um die beim Kompaß genutzte Stärke des Erdmagnetfeldes - ver-schiedene in dieser Studie angesprochene Magnetfeldstärken markiert. Dabeikann die Einordnung nur grob sein – reale Systeme mit ihren individuellen Eigen-schaften sind hier nicht dargestellt! Daß ein erheblicher Unterschied zwischender Feldstärke zum Erreichen des AMR-Effektes und der niedrigsten Nachweis-grenze für einen AMR-Sensor besteht, erklärt sich daraus, daß ein Sensor nebendem AMR-Element über Flußkonzentratoren und andere Komponenten verfügt,welche seine Sensitivität erhöhen. Neben der Skala in der SI-Einheit Tesla (fürdie magnetische Flußdichte B) ist die vielfach gebräuchliche Einheit Oersted (Oe,für die magnetische Feldstärke H) angegeben.

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2.2 AMR-Effekt

Mit AMR wird der Effekt bezeichnet, daß der Widerstand für elektrische Strö-me parallel und senkrecht zur Magnetisierungsrichtung eines Leitermaterialsverschieden ist. In günstigen Fällen liegt die Größe des Unterschiedes bei eini-gen Prozent [2]. Damit sind Stoffe, die einen großen AMR-Effekt zeigen, alsMagnetfeldsensoren interessant.

Das Prinzip solcher Sensoren ist einfach: Eine Magnetfeldänderung erzeugt ei-ne Änderung des elektrischen Widerstandes in einem dünnen Film eines weich-und ferromagnetischen Übergangsmetalls, welches über eine einfache Elektro-nik ausgelesen wird. Die Schwelle zur technischen Anwendung des AMR wur-de erst mehr als 100 Jahre nach seiner Entdeckung erreicht. Dieser Schritt hattedie Verfügbarkeit erster mikroelektronischer Systeme und Dünnschichttechni-ken zur Voraussetzung. In den 70er Jahren wurden erste Anwendungen desAMR-Effektes vorgeschlagen. Mittlerweile ist diese Technologie im Bereichder 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 Lageund Geschwindikeit von bewegten Teilen, z. B. beim ABS-System, in Frage.Bisher wird dort meist noch auf Hall-Sensoren zurückgegriffen. Bei diesen An-wendungen müßte das zu kontrollierende Teil mit einem Permanentmagnetenversehen werden. Man kann z. B. einen Magnetstreifen anbringen, so daß manaußer der Lage auch noch weitere Informationen in kodierter Form sensorischabfragen kann. So ist zu erwarten, daß Sensoren von mechanischen Parameternzusätzlich Funktionen ähnlich denen von Leseköpfen erfüllen werden.

Im Bereich der Festplattenleseköpfe wurde vor allem das gegenüber den induk-tiven Leseköpfen größere Miniaturisierungspotential der AMR-Technologiegenutzt (vgl. Abbildung 3). Abgesehen von der Miniaturisierung sind die tech-nischen Anforderungen an Sensoren in den Bereichen Fahrzeuge und Maschi-nen viel höher als bei Leseköpfen: Beim Auslesen von Magnetspeicherbits mußnur ein digitales Signal erkannt (0 oder 1) werden. Bei Sensoren mechanischerParameter (Beispiel ABS) müssen kontinuierliche Werte zuverlässig erfaßtwerden. Dafür ist nicht nur ein ausreichender Signalhub, sondern vor allem kei-ne oder eine sehr geringe Hysterese der Feld-Spannungskennlinie sowie Tempe-raturstabilität 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-

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linen Stoffen geringeren AMR-Effekt, sind aber wegen anderer willkommenerMaterialeigenschaften interessant. Die Entwicklung der AMR-Sensoren hat be-reits zu Sensorsystemen geführt, die für Anwendungen in Automobilen und imAnlagenbau ausreichend sensitiv und widerstandsfähig gegen Erwärmung, Kor-rosion 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 derForschung. Vielmehr geht es darum, mit bestimmten Herstellungsverfahren in-tegrierte Sensorsysteme herzustellen, welche maßgeschneiderte Eigenschaftenbesitzen. Man arbeitet an weiteren Verbesserungen der für empfindliche Senso-ren wichtigen weichmagnetischen Eigenschaften und des MR-Effektes durchz. B. Zusatz bestimmter Elemente (Nb, Au, etc.) in NiFe-Schichten. Im Rahmender technischen Optimierung von AMR-Anwendungen wurden Verfahren zurKontrolle der Nichtlinearitäten und der Temperaturabhängigkeit bei der AMR-Sensorantwort sowie der Reduzierung des Barkhausen-Rauschens durch Stütz-felder hartmagnetischer Schichten entwickelt. Auch geht es darum, Produkti-onsverfahren mit geringer Exemplarstreuung sowie Simulationsmodelle zu ent-wickeln, die eine gezielte Anwendungsoptimierung ermöglichen. WichtigesZiel der Entwicklung anwendungsfähiger Lösungen ist eine möglichst lineareKennlinie. 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 Fel-der einsetzen zu können. Es sind mittlerweile Werte für die Empfindlichkeit imBereich von Pikotesla ereicht; Femtotesla werden für möglich gehalten undangestrebt [5]. Damit werden AMR-Sensoren so leistungsfähig, daß sie bio-magnetische Felder messen können. Im Bereich der Messung kleinster Felder(z. B. zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Magnetokardiographie etc.) wird da-mit die MR-Technologie zum Konkurrent der HTSL-SQUIDs. Noch sind dieEigenschaften nicht erreicht, welche die HTSL-SQUIDs auszeichnen, jedochsind die Werte der AMR-Sensoren nicht mehr weit entfernt und werden vor al-lem bei Raumtemperatur erreicht [6]. Ein Vergleich von Leistungswerten derMR-Sensoren und SQUIDs findet sich in Kapitel 2.13 bzw. Tabelle 2.

Der AMR-Effekt wird heute im Rahmen konkreter Technologieentwicklunguntersucht. Beteiligt sind in erster Linie Werkstoff- bzw. Ingenieurwissen-schaftler. Die AMR-Technologie wird in enger Zusammenarbeit zwischen an-wendungsorientierten Instituten und Anwendern vorangetrieben. In den Berei-

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chen Maschinen- und Fahrzeugbau wird sie anderen Sensortechniken, insbe-sondere den Hall-Sensoren Konkurrenz machen. In Spezialbereichen wird sieeine Alternative zu der aufwendigen Supraleitermagnetsensorik werden. Außer-dem ist zu erwarten, daß der AMR-Technologie eine Öffnungsfunktion für dieMR-Sensorik insgesamt zukommt, so daß für die GMR-Sensorik erheblich kür-zere Diffusionszeiten zu erwarten sind als für die AMR-Sensorik.

2.3 GMR-Effekt

Die Beherrschung von Schichtdicken magnetischer Materialien bis hinein inden Nanometerbereich hat zur Entdeckung einer völlig neuen Klasse von Mag-netowiderstandseffekten geführt. 1988 fanden Grünberg und Fert einen neuenMR-Effekt, der wegen seiner im Vergleich zum AMR „gigantischen“ Größe alsgigantischer Magnetowiderstandseffekt GMR bezeichnet wird [7, 8]. In der ein-fachsten Form wird der GMR-Effekt in einem System gefunden, welches auszwei magnetischen Schichten (z. B. aus Kobalt) besteht, unterbrochen von einernichtmagnetischen Zwischenschicht (z. B. Kupfer). Die maximale durch ein äu-ßeres Magnetfeld ausgelöste relative Widerstandserhöhung in einem solcheneinfachen Sandwich beträgt 6 bis 8%. Gegenüber dem AMR-Effekt ist dies et-wa eine Verdoppelung. Hinzu kommt, daß der GMR-Effekt ganz wesentlichdadurch vergrößert werden kann, indem man von einem Sandwich zu einerVielfachschicht übergeht. Rekordwerte für die Widerstandsänderung liegen hierbei über 100% [9].

Es war sofort klar, daß diese Entdeckung für zukünftige Sensorikanwendungenvon großem Interesse ist. Der GMR-Effekt zeigt sich außer in dem beschriebe-nen Schichtsystem auch in anderen magnetisch heterogenen Systemen (sieheAbbildung 5 und weiter unten im Text).

Der GMR-Effekt nutzt den Spin der Elektronen in neuartiger Weise: Der elekt-rische Widerstand der Sandwich-Schichtung hängt vom Winkel zwischen deroberen und unteren Magnetisierung ab. Die den Widerstand verursachendeStreuung der Elektronen wird vergrößert, wenn die Magnetisierungsrichtungder beiden Grenzschichten nicht parallel ist. Der Widerstand ist am größten beiantiparalleler Einstellung, am kleinsten bei paralleler Einstellung (wie inAbbildung 5 angedeutet). Zwar ist die Deutung des GMR noch umstritten, je-doch kann als akzeptiert gelten, daß es sich dabei um ein Grenzflächenphäno-men handelt und nicht um eine Eigenschaft des dreidimensionalen Festkörpers.Der GMR-Effekt wurde als erstes 1988 an Fe/Cr/Fe-Schichtungen gefunden.

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Danach zeigte sich, daß auch Co/Cu/Co-Schichten einen großen GMR-Effektaufweisen. Bei Raumtemperatur fand man den GMR-Effekt erstmals 1991 [10].

Magnetisch homogene Systeme

AMR z.B. Ni81Fe19 (Permalloy)

Magnetisch heterogene Systeme

GMR in Schichtsystemen z.B. Co/Cu/Co-Sandwich

nichtmagnetische, leitende Zwischenschicht(Schichtdicke bis 10 nm)

Co

CoCu

TMR in Schichtsystemenz.B. Co/Al2O3/ Co-Sandwich

nichtmagnetische, nichtleitende Zwischenschicht

(Schichtdicke bis 5 nm)Co

CoAl2O3

GMR in granularen Systemenz.B. Cu-Co

Co-Ausscheidungen(Durchmesser ca. 4 nm,

Abstand ca. 8 nm)

Cu-Matrix (nichtmagnetisch)

R/R [%]

äußeres Magnetfeld H [Oe]500-500

3

R/R [%]

äußeres Magnetfeld H [Oe]1000-1000

6

R/R [%]

äußeres Magnetfeld H [Oe]500-500

10

R/R [%]

äußeres Magnetfeld H [Oe]5000-5000

20

Abbildung 5: Übersicht über die verschiedenen Materialstrukturen, welche MR-Effekte zeigen. Gezeigt ist rechts die zugehörige charakteristische Magnetowi-derstandskennlinie �R/R gegen H, die man beim Durchfahren des äußerenFeldes erhält (schematisch). Durch die gestrichelte Linie wird das Hysterese-verhalten deutlich. Die für die H-Achse angegebenen Werte verdeutlichen grobdie Größenordnung, in der ein äußeres Feld den MR-Effekt auslöst.

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Zunächst wurde vermutet, daß der GMR-Effekt in Zusammenhang steht mit derebenfalls an Fe/Cr/Fe-Schichtungen 1986 neu entdeckten sogenannten Zwi-schenschichtkopplung [11]. Die Zwischenschichtkopplung bezeichnet diemagnetische Austauschkopplung zweier magnetischer Schichten über einenichtmagnetische Zwischenschicht hinweg1. Diese Zwischenschicht kann bisknapp 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 derEntdeckung der Zwischenschichtkopplung neu und unerwartet, daß je nach Di-cke der Zwischenschicht die benachbarten magnetischen Schichten entwederparallel („ferromagnetische“ Kopplung) oder antiparallel („antiferromagneti-sche“ Kopplung) magnetisiert oder die Magnetisierungsrichtungen sogar um90° gedreht sind [12]. Die Wellenlänge der Oszillation zwischen diesen Zustän-den beträgt etwa 2 bis 4 nm entsprechend 10-20 Monolagen. Tatsächlich wurdeder GMR zuerst an Fe/Cr/Fe-Schichtungen mit antiferromagnetischer Zwi-schenschichtkopplung gefunden.

Daher ergab sich anfangs die Vermutung, daß beide Effekte – GMR und Zwi-schenschichtkopplung – miteinander verknüpft sind. Mit der Beobachtung desGMR-Effektes auch bei Schichtungen ohne Zwischenschichtkopplung, bei de-nen ein Winkel zwischen den Magnetisierungen auf andere Weise erreicht wird,war diese Vermutung widerlegt [13]. Man kann also den GMR-Effekt inSchichtsystemen mit oder ohne Zwischenschichtkopplung erreichen.

Man unterscheidet daher in der Gruppe der GMR-Schichtsysteme gekoppelteund ungekoppelte GMR-Systeme, je nachdem ob die nichtmagnetische Zwi-schenschicht dünn genug ist, um die Zwischenschichtkopplung wirksam werdenzu lassen. In beiden Fällen wird jedoch der GMR-Effekt durch denselben physi-kalischen Wirkmechanismus hervorgerufen. Dies war zunächst unklar, weshalbman aus historischen Gründen die ungekoppelten Syteme zur Unterscheidunghäufig als spin valves bezeichnet.

Für Sensoranwendungen kommen sowohl gekoppelte als auch ungekoppelteGMR-Systeme in Betracht. Beide haben bestimmte Vor- und Nachteile (sieheKapitel 2.9).

Für Sensoranwendungen ist wichtig, daß der GMR-Effekt von einem äußerenMagnetfeld (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.

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wünschten Stärke ausgelöst werden kann. Bei gekoppelten Systemen kann dieserreicht werden, in dem eine Voreinstellung gewählt wird, bei der die magneti-schen Schichten anders als „ferromagnetisch“ koppeln.

Bei ungekoppelten Systemen müssen die beiden magnetischen Schichten einesSandwiches so ausgelegt sein, daß eine Schicht leicht in Feldern der ge-wünschten Stärke ummagnetisiert, die andere dagegen ihre Magnetisierung indenselben Feldern beibehält. Mit anderen Worten: Eine Schicht muß weich-magnetisches Verhalten zeigen, die anderen dagegen ausreichend widerstands-fähig gegen Ummagnetisierung sein. Dies kann man dadurch erreichen, daß sichdie Schichten in der Koerzitivfeldstärke leicht unterscheiden. Eine alternativeMaßnahme besteht darin, die Magnetisierung von jeweils einer Schicht „festzu-pinnen“. Dazu kann man den Austauschanisotropieeffekt (exchange anisotro-py) nutzen. Dieser kommt durch die Wechselwirkung eines Ferromagneten miteinem angrenzenden Antiferromagneten zustande und wirkt sich so aus, daß dieUmmagnetisierungskurve des Ferromagneten auf der H-Achse verschoben ist.Wählt man diesen Weg, so wird auf eine der magnetischen Schichten eine wei-tere antiferromagnetische aufgetragen. Aus dem Sandwich wird damit ein Sys-tem aus vier Schichten, z. B. NiFe/Cu/NiFe/Fe50Mn50 mit Fe50Mn50 als antifer-romagnetische Schicht, welche die Austauschkopplung bewirkt. Mit Systemendieser Art werden gegenwärtig Spitzenwerte für die Sensitivität von ca.1,5%/Oe erreicht [14].

Einen Übersichtsartikel zur Zwischenschichtkopplung bietet [15] und zumGMR-Effekt in Schichtsystemen [16].

Aufgrund des hohen Interesses in Forschung und Industrie am GMR-Effekt sindin relativ kurzer Zeit schon eine große Palette von Materialzusammensetzungenund Schichtvarianten untersucht und teilweise auch schon patentiert worden.Demgegenüber steht eine große Variationsbreite der in Frage kommenden Le-gierungen sowie der Schichtkombinationen

2.4 GMR-Effekt in granularen Systemen

Eine weitere Klasse von Materialien, in denen der GMR-Effekt 1992 entdecktwurde, sind granulare Systeme. Dabei handelt es sich um Legierungen, bei de-nen magnetische Ausscheidungen (Granulate) in einer nichtmagnetischen Mat-rix eingebettet sind (siehe Abbildung 5). Diese granularen Systeme können auchals einfache dünne Schicht hergestellt werden. An solchen Schichten aus gra-nularem Material wurde der GMR-Effekt erstmals in einem anderen System als

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in den aufwendigeren Vielfachschichten (wie in Kapitel 2.3 beschrieben) ge-funden [17, 18]. Kurz darauf zeigte sich, daß solche granularen Legierungenauch in Form „dicker“ Bänder (Dicke im �m-Bereich) durch Rascherstarrungs-verfahren hergestellt werden können [19]. Ebenso wie bei den Vielfachschich-ten sind die Grenzflächen zwischen den Materialsorten für den GMR-Effektverantwortlich. Anders als bei den Vielfachschichten bilden nicht einzeln auf-getragene Schichten, sondern die Ausscheidungen und das umgebende Materialdie Grenzflächen und bewirken den GMR-Effekt. Die granularen Ausscheidun-gen, deren Durchmesser typischerweise bei 4 nm und deren Abstand typischer-weise bei 8 nm Nanometer liegt, sind zunächst mit statistischer Verteilung mag-netisiert. Unter Wirkung eines äußeren Magnetfeldes wird die statistische Ver-teilung aufgehoben, so daß mehr magnetische Momente parallel als antiparallelrelativ zum Stromfluß stehen. Daher verändert sich die spinabhängige Streuungund der Widerstand sinkt (siehe Abbildung 5). Die granularen GMR-Systemehaben im Vergleich zu den GMR-Schichtsystemen den Vorteil, daß sie einfa-cher und billiger herzustellen sind. Man erhält relativ leicht Widerstandsände-rungen im Magnetfeld von etwa �R/R = 20%. Im Gegensatz zu Schichtsyste-men ist die Hysterese sehr klein, was die Signalauflösung verbessert bzw. dieSignalauswertung vereinfacht. In der Sensitivität S sind gegenwärtig granulareMaterialien den Vielfachschichtsystemen jedoch deutlich unterlegen. Dies istdarauf zurückzuführen, daß der magnetische Teil der granularen GMR-Systemenoch nicht so weichmagnetisch reagiert wie die entsprechende Schicht beiSchichtsystemen. Die Eigenschaft, weichmagnetisch zu sein, hängt nicht nurvon der Materialzusammensetzung ab, sondern auch von der Form des zu mag-netisierenden Volumens. In dieser Hinsicht sind die Schichtsysteme gegenüberden kugelförmigen magnetischen Granulaten im Vorteil. Bei letzteren ist ausgeometrischen Gründen die Entmagnetisierungsenergie größer als bei denSchichten, weshalb sie weniger leicht als diese aufzumagnetisieren sind.

Nach nach dem gegenwärtigen Stand der Forschung sind je nach Materialsys-tem hohe Ummagnetisierungsfelder von einem oder mehreren Tesla nötig, umden GMR-Effekt in granularen Medien auszulösen. Bei den meisten techni-schen Anwendungen stehen jedoch nur deutlich kleinere Felder zur Verfügung.

Neben den „reinen“ oder „einfachen“ granularen Systemen, zu denen Cu-Cooder Ag-Co-Systeme gehören, werden verschiedene nanostrukturierte Systemeunter Verwendung granularer Anteile untersucht, welche den GMR-Effekt zei-gen und bezüglich Anwendungen bessere Eigenschaften erreichen bzw. ver-sprechen als die „reinen“ granularen Systeme. Es sind dies:

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� Massivmaterialien (bulk materials), bei denen eine granulare Nanostrukturauf metallurgische Weise eingestellt werden kann. Bei bestimmten Perma-nentmagnetwerkstoffen bildet sich aufgrund der sogenannten spinodalenEntmischung eine zweiphasige Nanostruktur. Diese besteht aus einer stäb-chenförmigen Ausscheidung von z. B. magnetischen Fe und Co einerseitsund nichtmagnetischem Ni und Al andererseits. Somit wird im metallurgi-schen Herstellungsprozeß „automatisch“ eine Grenzflächenstruktur geschaf-fen, welche bei den Schichtsystemen „künstlich“ hergestellt wird. Auf dieseWeise können auch „Bänder“ von einigen 100 �m Dicke hergestellt werden.Beispiele sind die Permanentmagnete AlNiCo und FeCrCo [20, 21]. Wertefür �R/R bis 3% bei Raumtemperatur wurden erreicht. Auch hier sind nochrelativ hohe Magnetfelder (> 1 Tesla) notwendig, um den GMR-Effekt aus-zulösen. Vorteile der AlNiCo- und FeCrCo-GMR-Systeme sind die einfache,kostengünstige Herstellungsweise und die hohen Werte für die Sprungtempe-ratur TC, welche über 600 °C liegt. Zum Vergleich: Die maximalen Einsatz-temperaturen von AMR- und GMR-Sensorschichtsystemen liegen bei ca. 200°C.

� „Granulare Vielfachschichten“ sind Systeme, bei denen eine granulareSchicht, welche vorwiegend für den GMR-Effekt verantwortlich ist, mit an-deren Schichten kombiniert wird. Beispiele sind Ag/AgCo und Cu/AgCo,wobei jeweils AgCo das eigentliche granulare System darstellt. Es entstehtjedoch über die oben erwähnte Zwischenschichtkopplung eine Wechselwir-kung mit anderen Schichten, was zu einer Verbesserung der Sensitivität führt(etwa einen Faktor 10 besser als die „einfachen“ granularen Schichten, abermit S < 0,1%/Oe immer noch klein im Vergleich zu den Vielfachschichten,vgl. Tabelle 1).

� Diskontinuierliche Vielfachschichten (quasigranulare Systeme) sind Sys-teme, welche zwar als Vielfachschichten hergestellt werden, aber im Endre-sultat des Herstellungsprozesses nicht mehr aus getrennten Schichten beste-hen, sondern ein quasigranulares Gefüge bilden. Zur Zeit gibt es zwei Bei-spiele für quasigranulare Systeme: Bei NiFe/Ag werden zwei Schichtmateri-alien mit großer Gitterfehlanpassung zunächst als Schichtsystem aufgebracht.Durch nachfolgende Wärmebehandlung wird die ursprüngliche Schicht-struktur aufgebrochen, so daß sich die Materialien gegenseitig durchdringenund eine granulare Struktur bilden [22]. Mit diesem diskontinuierlichen Ni-Fe/Ag-System konnten die bisher besten Werte für die Sensitivität bei gra-nularen Medien erzielt werden (S = 1%/Oe) [23]. Ein weiteres Beispiel fürquasigranulare Systeme sind ultradünne Co/Ag-Schichten. Dabei wird die

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Diskontinuität dadurch erreicht, daß die Co-Schicht so dünn aufgebracht wird(< 1 nm), daß sie keine deckende Schicht bildet. Damit konnten hohe Wertefür �R/R von mehr als 50% erzielt werden [24]. Welche Werte damit für dieSensitivität erreicht werden, konnte nicht ermittelt werden.

� Hybrid-Strukturen aus Schicht- und granularen Systemen, bei denen manversucht, die vorteilhaften Eigenschaften beider Sorten zu kombinieren. Soerreicht 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 weite-ren Sonderbedingungen) [24]. Die Idee dabei ist, die GMR-Eigenschaften dernichtdeckenden ultradünnen Co-Schicht mit dem weichmagnetischen Ver-halten der NiFe-Lage zu verbinden.

Mit den genannten Systemen hofft man, Synergieeffekte von Schicht- undgranularen Systemen zu erzielen, um die spezifischen Vorteile dieser beidenGMR-Systeme zu kombinieren. Es scheint, daß man auch mit granularen Sys-temen in Form von Hybridschichten, quasigranularen Schichten oder „granula-ren Vielfachschichten“ die für Sensoranwendungen erforderlichen Werte in derSensitivität erreichen kann, siehe auch [76]. Jedoch ist es besonders bei denkomplizierten Hybridschichten fraglich, ob der Vorteil der Einfachheit gegen-über den GMR-Schichtsystemen aufrechtzuerhalten ist.

2.5 TMR-Effekt

Die Entdeckung des GMR-Effektes stimulierte die Untersuchung einer ähnlichstarken Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit bei Tunnelkontakten. Die-se 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 Zwischen-schicht getrennt sind. Im Gegensatz zu den GMR-Schichtsystemen ist jedochdie Zwischenschicht zusätzlich nichtleitend, also aus einem Isolatormaterial.Ist diese Zwischenlage dünn genug, so können Elektronen diese dennoch durchden quantenmechanischen Tunneleffekt überwinden und es kann ein Stromdurch den Tunnelkontakt fließen. Frühe Arbeiten deuteten schon in den 70erJahren darauf hin, daß dieser Tunnelstrom bzw. der elektrische Widerstand die-ses Tunnelstroms von der relativen Magnetisierung der magnetischen Schichtenabhängt [25]. Die zunächst gefundenen Magnetowiderstandseffekte waren je-doch nur bei tiefen Temperaturen in der Größenordnung des GMR-Effektes, beiRaumtemperatur jedoch sehr klein (z. B. �R/R = 7,7% bei Fe/GdOx/Fe bei 4,2K [26]. Ziel der Forschung war es seitdem, einen Magnetowiderstandseffekt in

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Tunnelkontakten zu finden, der auch bei Raumtemperatur „giant“ ist. Dies wur-de erstmals 1994 mit �R/R = 18% bei Fe/Al2O3/Fe bei 300 K erreicht [27], sie-he auch [28]. Dieser Effekt wird als Tunnelmagnetowiderstand oder TMR-Effekt bezeichnet. Bei TMR-Systemen wurde jüngst in einem Co-Fe/Al2O3/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-Effekt2, wird aber dennoch durchein anderes physikalisches Wirkprinzip hervorgerufen. Während der magnetischbeeinflußte Widerstandseffekt bei GMR-Systemen durch spinabhängigeStreuung zustande kommt, wird dieser Effekt bei TMR-Systemen durch spi-nabhängiges Tunneln verursacht. Während bei einem GMR-Sandwich diemittlere 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 vonGMR- 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 (klei-ner als 5 nm) sein; bei GMR-Elementen können sie bis 10 nm betragen (sieheAbbildung 5).

Mittlerweile wird auch ein TMR-Effekt in granularen Systemen gefunden, beidenen magnetische Granulate in einer nichtmagnetischen und nichtleitendenMatrix eingebettet sind (Co-Granulate in einer Al2O3-Matrix [30]). Es wurdenWerte bis �R/R = 8% erreicht, wobei das Gesamtsystem einen besonders hohenelektrischen Widerstand hat.

2.6 Forschung GMR und TMR

Von besonderem wissenschaftlichen Interesse ist die mikroskopische Deu-tung 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 dengegenwärtigen 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 „junctionmagnetoresistance“ oder MTJ für „magnetic tunnel junction“.

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(TMR) hinaus durch Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften, Ver-besserung der Hystereseeigenschaften sowie Temperatur- und Langzeitstabili-tät.

Die zur Zeit am weitesten verbreitete Interpretation des GMR-Effektes geht da-von aus, daß die Streuraten für Elektronen mit Spin auf und Spin ab (bezogenauf die Magnetisierungen der magnetischen Filme) verschieden sind. Mit dieserAnnahme kann man zeigen, daß die Raten bei antiparalleler Anordnung be-nachbarter magnetischer Filme oder Cluster größer sind als bei paralleler An-ordnung. Die Abhängigkeit der Raten von der Ausrichtung der Spins kann manmikroskopisch auf die Bandstrukturen der magnetischen Materialien und ihreZustandsdichten an der Fermi-Kante zurückführen. Allerdings ist diese Deutungnicht unwidersprochen. Bei einer anderen Erklärung nimmt man an, daß sich dieBandstrukturen von Schichtungen mit der magnetischen Ausrichtung verändern,was ja bereits durch die Veränderung der Einheitszelle eintritt. Es ist qualitativklar, daß eine Veränderung der Bandstruktur auch das Transportverhalten ver-ändert.

Weitere Themen betreffen z. B. die Unterschiede in der Stärke des GMR-Effektes, die bei verschiedener Richtung der angelegten Spannung und desStromes auftreten. Insbesondere der Unterschied zwischen der sogenanntenCIP(current in plane)- und der CPP(current perpendicular plane)-Geometrie, beider der Strom parallel, bzw. senkrecht zur Schichtebene fließt, werden einge-hend untersucht (siehe Abbildung 6 und [31, 32]). In der CPP-Geometrie ist derGMR-Effekt größer, da der Strom nicht in die leitenden Schichten ausweichenkann, sondern die spintragenden Elektronen die Zwischenschicht durchquerenmüssen. 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 wesentlichschwieriger zu realisieren als die CIP-Geometrie. Dafür hat die CPP-Anordnungden Vorteil, daß die theoretische und darauf aufbauend die numerische Be-handlung des Problems wesentlich einfacher ist und zu besseren Resultatenführt. Ein System in CPP-Anordnung kann auch als ein Spinfilter betrachtetwerden: Der Widerstand erhöht sich bei nicht-paralleler Magnetisierung derSchichten, weil ein Teil der Spineinstellungen beim Tunneln benachteiligt ist.Zusätzlich wurde gezeigt, daß Elektronen im Mittel durch eine größere Zahlvon Lagen tunneln können, bevor die Spinpolarisation verschwindet [32]. Dieskann dazu genutzt werden, eine bestimmte Spinpolarisation in Metallen anzu-reichern, was die Voraussetzung zur Konstruktion eines Transistors ist (sieheKapitel 3.1.2).

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Co

CoCu

Co

CoCu

Current in plane (CIP)-Geometrie

Current perpendicular to plane (CPP)-Geometrie

Bei GMR-Schichtsystemen Bei GMR- und TMR-Schichtsystemen

Stromrichtung

Current at an angle to plane (CAP)-Geometrie

Co/Cu/Co-Schichtsystem

Si-Substrat

Abbildung 6: Einen MR-Effekt in Schichtsystemen erzielt man sowohl beiStromrichtung senkrecht als auch parallel zu den Schichten. Dies kann genutztwerden, um spezielle Anordnungen zu finden, welche einen besonders hohenMR-Effekt zeigen. Neben dem gezeigten Beispiel der CAP-Geometrie, werdenweitere Strukturen wie z. B. Schichten in nanoporösen Substraten diskutiert.

Mittlerweile werden auch Zwischenformen von CIP- und CPP-Geometrie unter-sucht. So kann durch Nanostrukturierung eine „sägezahnförmige“ Oberflächeeines Siliziumsubstrates hergestellt werden (Abbildung 6). Das darauf aufge-brachte Schichtsystem wird von einem Strom unter einen Winkel durchlaufen,wodurch eine Erhöhung des MR-Effektes erzielt werden kann. Weitere spezielleGeometrien wie z. B. Schichtsysteme in nanoporösen Schichten werden unter-sucht. Eine Zusammenfassung über die verschiedenen derzeit diskutierten Ge-ometrien enthält [33].

Weitere Forschung gilt der Identifizierung der Streuprozesse. Mit der weiterenAufklärung der dem GMR-Effekt zugrundeliegenden Streueffekte geht ein Ver-ständnis einher, welche Materialsysteme für Anwendungen geeignet sind.

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Von besonderem technischen Interesse ist die Untersuchung verschiedenerMaterialsysteme im Hinblick auf die Kombination eines hohen GMR-Effektesbzw. TMR-Effektes mit anderen für Anwendungen vorteilhaften Eigenschaften.So ist bei der Auswahl von Sensormaterialien nicht nur die Stärke der MR-Effekte, sondern auch das weichmagnetische Verhalten, welches die erreichbareSensitivität bestimmt, wesentlich: Der MR-Effekt muß durch ein äußeres Feldausgelöst werden können, das bei vielen technischen Anwendungen nicht sehrstark sein kann.

Für Festplattenleseköpfe ist ein Feld im Bereich Millitesla bzw. einiger ZehnOersted zu detektieren. Für Sensoren im Maschinenbau stehen teilweise höhereFelder durch Gebermagnete zur Verfügung, jedoch sind oft kontinuierlichFeldintervalle auszumessen. Außerdem soll das MR-Signal unempfindlich ge-genüber Abstandstoleranzen des Gebermagneten sein.

Entsprechend weichmagnetisch, d. h. leicht ummagnetisierbar müssen GMR-bzw. TMR-Materialien sein. Die „klassischen“ GMR-Systeme (Vielfach-schichten und granulare Systeme aus Cu und Co) wiesen zunächst keine ausrei-chende Sensitivität auf. Erst die Verwendung von Cu und Ag (als nichtmagneti-schem Material) und weichmagnetischem NiFe und CoNi lassen sich GMR-Systeme mit für Sensoranwendungen interessanten Eigenschaften realisieren.Daben werden eine Reihe weiterer Materialbeimischungen und Herstellungsver-fahren untersucht. Die große Auswahl an Ausgangsmaterialien, Kombinations-möglichkeiten in Schichten und granularen Systemen und Herstellungsvariantenergibt ein großes Spektrum an erzielbaren Eigenschaften. Wie schon er-wähnt, kann eine erhebliche Steigerung des GMR-Effektes unter Verwendungvon Mehrlagenschichtkombinationen erzielt werden. Bei Anwendungen ist je-doch die Steigerung der Komplexität immer auch unter Kostengesichtspunktenzu betrachten.

Der GMR-Effekt ist nicht nur wegen der Größe des Magnetowiderstands vontechnischer Bedeutung. Im Gegensatz zum AMR (und auch zum CMR undGMI) rückt mit dem GMR-Effekt zum erstenmal die Grenzfläche als eigen-schaftsbestimmende Komponente eines Festkörpersystems in den Mittelpunktdes Interesses. Damit ergeben sich Optionen für gezielte Komposition von Sen-sormaterialien: Während der GMR-Effekt vorwiegend von der Grenzflächezwischen den Schichten abhängt, wird das weichmagnetische Verhalten vomMassivmaterial der ferromagnetischen Schichten bestimmt. Dies gibt im Gegen-satz zum anisotropen Magnetowiderstandseffekt AMR die Möglichkeit, beideEigenschaften getrennt zu optimieren. So wurde bereits erfolgreich der GMR-

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Effekt durch gezielte Manipulation der Grenzfläche gesteigert, indem NiFe/Cu-Grenzflächen mit Co „verunreinigt“ wurden. Diese Verstärkung des GMR-Effektes (Gewinn: Faktor 2) ohne Verschlechterung des weichmagnetischenVerhaltens wird „dusting“ genannt. Damit ist gemeint, daß die Grenzfläche zwi-schen magnetischer und unmagnetischer Schicht durch einen anderen Stoff -hier Co - durch Auftragen einer nicht deckenden Co-Belegung „verunreinigt“wird. Eben wegen dieser Eigenschaft kann beim GMR im Unterschied zumAMR-Effekt die Dicke der magnetischen Schichten verringert werden, ohne daßder Magnetowiderstandseffekt kleiner wird. So liegen typische Einzelschichtdi-cken von AMR-Sensoren bei 30 nm und bei GMR-Sensoren bei 10 nm. Wichtigist dabei, daß sich durch die kleinere Dicke das weichmagnetische Verhaltenverbessert, und ein besserer Feldkonzentrationseffekt ausgenutzt werden kann.Schließlich ermöglicht die kleinere Dicke auch noch eine größere Ortsauflösungin der Richtung längs der Schichtnormalen.

Diese Beispiele zeigen, daß bei der Erforschung des GMR-Effektes interessanteFragen der Grundlagenforschung in neuer Anwendungsbezogenheit auftauchen.Konzepte, die für Massivmaterialien entwickelt wurden, werden auf dünne Fil-me übertragen und dabei neu überprüft. Als neues Element (fast im wahrstenSinn des Wortes) tritt die Grenzfläche mit oft unerwarteten Eigenschaften auf.

Ähnliches gilt für den TMR-Effekt. Auch hier wird ein typisches quantenme-chanisches Phänomen, nämlich das Tunneln von Elektronen durch eine Isola-torschicht, mit neuer Anwendungsbezogenheit untersucht. Dies erklärt, weshalbdas Interesse an GMR- und TMR-Effekt gegenwärtig sowohl von Grundlagen-seite als auch von Anwenderseite sehr groß ist.

2.7 Werden GMR-Sensoren die besseren AMR-Sensoren?

Im Prinzip sind GMR-Sensoren für alle Anwendungen geeignet, bei denen auchAMR-Sensoren in Frage kommen. GMR-Sensoren haben im Prinzip die Vor-teile der AMR-Sensoren (einfaches robustes Funktionsprinzip, kostengünstigherzustellen, geringer Energieverbrauch) plus einem deutlich höheren Magne-towiderstandseffekt, welcher entweder zur Steigerung der Empfindlichkeit, zurEinsparung an elektronischer Verstärkung des Signals oder zur Reduktion derGröße entsprechender Systeme genutzt werden kann. Der GMR-Effekt ist dabeinicht einfach nur größer als der AMR-Effekt, sondern wird durch ein unter-schiedliches physikalisches Wirkprinzip hervorgerufen und zeigt deshalb eineReihe anderer Eigenschaften. Folgende Unterschiede hinsichtlich technischerNutzung sind relevant:

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� Die MR-Sensorantwort zeigt beim AMR eine andere Winkelabhängigkeit alsbeim GMR: Die AMR-Signalamplitude weist eine 180°-Periode auf, dieGMR-Signalamplitude eine 360°-Periode, was für bestimmte Anwendungen,wie z. B. Winkelsensoren, vorteilhaft ist. Beim GMR-Effekt läßt sich leichterein linearer Zusammenhang zwischen der Sensorspannung und dem Winkeldes äußeren Feldes erreichen.

� Für technische Sensoren werden oft mehrere MR-Elemente meist inWheatstonebrücken-Anordnung verwendet, um eine Kompensation von tem-peraturbedingten Änderungen und magnetfeldunabhängigen Offset-Spannungen des Signals zu erreichen. Dafür ist es jedoch erforderlich, daßleicht unterschiedliches Ansprechverhalten der MR-Elemente realisiert wer-den kann. Bei AMR-Systemen läßt sich dafür die Ansiotropie des AMR-Effektes ausnutzen, indem die Elemente jeweils unter einem verschiedenenWinkel zur Stromrichtung stehen. Gekoppelte GMR-Elemente zeigen keinesolche Anisotropie. Dort müssen andere (einfache und kostengünstige) Me-thoden angewandt werden. Demonstriert wurde bereits eine Lösung, wo un-terschiedliches Ansprechverhalten in einer GMR-Brückenanordnung mittelsAbschirmung eines Teils der GMR-Elemente ereicht wurde. Die Abschir-mung aus weichmagnetischem Material dient dabei gleichzeitig als Flußkon-zentrator [34]. Ungekoppelte GMR-Elemente bieten die Eigenschaft der Ani-sotropie, weshalb Brückenanordnungen damit leichter zu realisieren seinwerden.

� AMR-Sensoren erreichen bereits gute Werte bei Rauscharmut und Signal-auflösung. Allerdings haben sie prinzipbedingt einen kleinen Signalhub. Umden GMR-Effekt in Vielfachschichten auszulösen, ist die weichmagnetischeSchicht umzumagnetisieren. Dabei tritt Hysterese und Barkhausenrauschenauf, was Nachteile bei Rauscharmut und Signalauflösung mit sich bringt.Demgegenüber steht der prinzipiell größere Signalhub des GMR. Um Hyste-resefreiheit bei GMR-Sensoren zu erzielen, wurden bereits spezielle Anord-nungen vorgeschlagen [35].

� Unter dem Gesichtspunkt der Hysteresearmut werden die granularen GMR-Systeme als technisch interessant eingeschätzt. Sie bieten in diesem Punktaufgrund ihrer Materialstruktur (siehe Abbildung 5) Vorteile. Außerdem sinddie granularen Systeme z. B. durch Kodeposition zweier Metalle leichter her-zustellen als die Schichtsysteme, bei denen ein aufwendiger Schicht-wachstumprozeß innerhalb enger Margen kontrolliert und ausgeführt werden

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muß. Daher sind granulare GMR-Systeme insbesondere interessant für dieBereiche Maschinenbau und Fahrzeugtechnik. Allerdings lassen sich bisherkeine besonders hohen Werte für die Sensitivität erzielen. In diesem Punktsind die granularen Systeme den Vielfachschichten (noch?) deutlich unterle-gen (siehe Tabelle 1).

� Bei Miniaturisierung (gemessen in der Kantenlänge eines Sensorelementes)nimmt die theoretisch erreichbare Sensitivität des AMR-Systems ab. Diejeni-ge des GMR-Systems bleibt konstant. Zwar kann man in beiden Fällen mitFlußkonzentratoren die Sensitivität erhöhen, jedoch führt das Verwenden ei-nes weichmagnetischen Flußkonzentrators immer zu einer Erhöhung derHysterese und damit zu einer Verschlechterung der Signalauflösung. Es wirdgeschätzt, daß aus den genannten Gründen und wegen des höheren Signalhu-bes der GMR-Effekt das Potential bietet, die Sensitivität um ca. einen Faktor10 gegenüber dem AMR-Effekt zu steigern (vgl. Tabelle 2).

Die ersten Anwendungen sowohl des AMR- wie auch des GMR-Effektes sindFestplattenleseköpfe. In diesem Feld sind die Anforderungen an Linearität,Temperaturstabilität und Signalauflösung (Hysteresefreiheit) vergleichsweisegering. Es muß nur ein binäres Signal (Null oder Eins) gelesen werden können.Dort zählt weniger die Signalqualität der Sensorantwort als vielmehr die Mini-aturisierung des Sensors. In den Bereichen Maschinenbau und Fahrzeugtechniksind die technischen Anforderungen an Sensoren meist höher. Man kann gemäßdem bisherigen Kenntnisstand nicht aussagen, daß die GMR-Technologie injedem Fall zu favorisieren ist. Es ist daher zu erwarten, daß jeweils für spezielleAnwendungsfelder geprüft wird, ob ein AMR- oder ein GMR-Sensor die besse-re Lösung darstellt.

2.8 Bieten GMR- oder TMR-Systeme die besseren Anwendungseigenschaf-ten?

Das Spektrum möglicher Anwendungen des TMR-Effektes ist im Prinzip gleichdem des GMR-Effektes in Schichtsystemen: Sensoren, Datenspeicherelemente(MRAMs, Kapitel 3.1.3) und Spintransistoren (siehe auch Kapitel 3.1.2). Daherstehen beide Effekte in Konkurrenz und müssen zusammen betrachtet werden.TMR-Elemente erfordern dünnere Zwischenschichten als GMR-Elemente, washöhere Anforderungen an den Schichtwachstumsprozeß stellt ebenso wie an dieReproduzierbarkeit. Allerdings wurde in einem CoFe/Al2O3/Co gefunden, daßbei genügend dünnen Schichten der TMR-Effekt stabil gegenüber einer gewis-sen Schichtdickenvariation ist [36]. Da es bei TMR-Elementen weniger auf die

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Optimierung der Grenzflächen mittels z. B. „dusting“ ankommt, ist derHerstellungsprozeß dadurch wieder vereinfacht. Auch werden solche Tunnel-kontakte (unter anderen Aspekten) seit einiger Zeit im Rahmen der Hochtempe-ratursupraleitung betrachtet bzw. hergestellt, weshalb in diesem Bereich schonErfahrung bezüglich der Herstellungsverfahren vorliegt.

Prinzipbedingt sind TMR-Elemente hochohmig, GMR-Elemente niederohmig.Dort, wo der hohe elektrische Widerstand der TMR-Systeme wichtig ist (zumBeispiel bei Hochfrequenz-Sensoren), können die spezifischen Vorteile desTunnelmagnetowiderstandes genutzt werden. Von Vorteil kann auch sein, daßdie Hochohmigkeit das Auslesen unter höheren Spannungen erlaubt und so dasSignal-Rausch-Verhältnis verbessert. Verschieden verhält sich der absolute e-lektrische Widerstand von GMR- und TMR-Elementen bei Miniaturisierung:Mit Verkleinerung der lateralen Abmessungen sinkt beim GMR der absoluteWiderstand, während er bei einem TMR-Element ansteigt. Dies bedeutet für dieMRAMs möglicherweise eine Barriere gegen eine Verkleinerung unter be-stimmte Grenzen. Andererseits könnte sich die Eigenschaft der TMR-Elemente,bei hoher Spannung betrieben werden zu können, als günstig für Systeme mitgeringer Verlustleistung erweisen.

Die bei TMR-Systemen erreichte Sensitivität S liegt mit �R/R/�H bis 0,3%/Oegegenwärtig noch meist deutlich unter 1. Jüngst vorgestellte Ergebnisse in ei-nem CoFe/Al2O3/NiFe-TMR-System zeigen ein S von 1,4%/Oe, was gegenwär-tig besser ist als GMR-Systeme (Sandwich) [27]. Allerdings kann man GMR-Sandwiches zu Vielfachschichten aufbauen und so einen viel höheren MR-Effekt erzielen (Tabelle 1). Bei TMR-Systemen würde ein solcher Aufbau zuVielfachschichten eine u. U. ungünstige Erhöhung des absoluten elektrischenWiderstandes zur Folge haben. Ein weiterer wichtiger Unterschied von GMR-und TMR-Systemen ist das Hystereseverhalten (siehe Abbildung 5). Für Senso-ren im Maschinen- und Fahrzeugbau sucht man nach Systemen mit möglichstgeringer Hysterese. Dort scheinen die TMR-Systeme nach dem gegenwärtigenStand nicht prädestiniert zu sein, da sie ein ausgeprägtes Hystereseverhaltenzeigen. Anders ist die Situation bei Detektion von binärer Information, wie siein Festplattenleseköpfen und magnetischen RAMs (MRAMs) benötigt wird.Dort werden TMR-Systeme als sehr starke Konkurrenz zu GMR-Systemen be-trachtet und diskutiert, z. B. [37].

Wichtig in diesem Zusammenhang sind auch Herstellungsverfahren, vgl. auch[38].

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Wie in der schematischen Darstellung in Abbildung 5 nicht zu sehen, wurdeauch beobachtet, daß sich der Tunnelmagnetowiderstand diskret stufenförmigmit dem äußeren Feld ändert, was auf die Ummagnetisierung einzelner magneti-scher Domänen zurückgeführt wird. Daher bietet die Messung des Tunnelmag-netowiderstandes ein gegenüber anderen magnetometrischen Methoden sehrsensitives Mittel, die Dynamik des Domänenverhaltens zu messen [39].

2.9 Gekoppelte versus ungekoppelte GMR-Schichtsysteme

Wie oben beschrieben, können GMR-Schichtsysteme sowohl mit als auch ohneZwischenschichtkopplung für Sensoren genutzt werden. Da die Reichweite derZwischenschichtkopplung auf wenige Atomlagen beschränkt ist, müssen ge-koppelte GMR-Systeme eine besonders dünne Zwischenschicht aufweisen (bis3 Nanometer). Ungekoppelte Systeme erhält man dadurch, daß man die Zwi-schenschicht dicker macht (3 bis ca. 10 Nanometer). Die Zwischenschicht-kopplung führt abhängig von der Schichtdicke abwechselnd zu einer „ferro-magnetischen“ oder „antiferromagnetischen“ Kopplung oder zu einer Kopp-lung unter einem bestimmten Winkel. Da das Auslöseverhalten für den GMR-Effekt von der durch die Zwischenschichtkopplung bewirkten Voreinstellungdes GMR-Systems abhängt (sie muß anders als ferromagnetisch sein), muß imHerstellungsprozeß das Schichtwachstum sehr genau gesteuert werden können.Nur so kann der Arbeitspunkt des Sensors optimal voreingestellt werden. Diesbedeutet ein gegenüber ungekoppelten Sytemen aufwendigeres Herstellungsver-fahren. Dagegen bedeutet die dünne Zwischenschicht eine Vergrößerung desMR-Effektes (gemessen in �R/R). Die Zwischenschichtkopplung bewirkt dage-gen, daß höhere äußere Felder erforderlich sind, um den MR-Effekt auszulösen,so daß der höhere MR-Effekt nicht zu einer höheren Sensitivität S (gemessen in�R/R/�H) führt. Außerdem haben gekoppelte Systeme mit zwei Co-Schichteneine ausgeprägte Hysterese, was einen Nachteil besonders für Sensoren fürkontinuierliche Parameter darstellt. Dennoch können die Nachteile mit geeig-neten Maßnahmen (Wahl von CoFe/CoNiFe anstatt Co, Anbringen von Fluß-konzentratoren, Anordnung in Wheatstonebrücken, siehe auch Kapitel 2.7) be-grenzt werden. Der erste kommerziell produzierte GMR-Sensor nutzt gekop-pelte Systeme [40]. Er besitzt eine ausreichend kleine Hysterese und liefert einelineare Sensorantwort. Er ist in Sensitivität, Frequenzverhalten und dem Preisbereits den AMR-Sensoren ebenbürtig, bei der Temperaturstabilität und der o-beren Einsatztemperatur (200 °C) den AMR-Sensoren überlegen [41].

Wählt man ein ungekoppeltes GMR-System, so müssen andere Maßnahmengetroffen werden, um den GMR-Effekt auszulösen. Dies sind, wie in Kapitel

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2.3 beschrieben, eine unterschiedliche Koerzitivkraft HC der magnetischenSchichten, die zum Beispiel unter Ausnutzung des Austauschanisotropieeffekteserreicht werden kann. Dazu muß jedoch eine weitere (antiferromagnetische)Schicht dem Sandwich hinzugefügt werden. Diese sogenannten Bias- oder An-kerschichten steigern den Herstellungsaufwand und die bisher dafür in Fragekommenden Materialien begrenzen den Temperaturbereich des Sensors auf ca.180 °C, was für technische Anwendungen oft nicht genügt. Auch hat die Wahldes Materials für diese Biasschicht einen Einfluß auf die Größe �R/R. Zunächstwurden für die Biasschicht antiferromagnetische FeMn- oder NiMn-Schichtenverwendet. Besonders FeMn hat jedoch ungünstige Korrosionseigenschaftenund kann nur in einem begrenzten Temperaturbereich eingesetzt werden. Fürden Einsatz bei höheren Temperaturen eignet sich IrMn. Mittlerweile hat sichgezeigt, daß mit antiferromagnetischen Oxiden wie NiO oder NiO-CoO bessereResultate zu erzielen sind [42]. Die Kombination eines einzelnen ungekoppel-tem Co/Cu/Co-Sandwiches mit flankierenden NiO-Schichten zeigt einen er-höhten MR-Effekt von �R/R = 15%. Dies wird dadurch erklärt, daß die NiO-Biasschicht eine Art Streuspiegel für die Elektronen darstellt und so ein Viel-fachschichtsystem simuliert [35]. Bisher werden mit ungekoppelten Systementrotz eines durch die dickere Zwischenschicht geringeren �R/R höhere Sensiti-vitäten erreicht. Bei ungekoppelten Systemen konnte die Tatsache, daß sie eineAnisotropie zeigen, genutzt werden, um eine hysteresefreie Sensorantwort zuerzielen [35]. Ein weiteres jüngst vorgeschlagenes Konzept für ungekoppelteSysteme ist das des sogenannten künstlichen Antiferromagneten AAF (artificialantiferromagnet). Dabei wird über eine hartmagnetische dünne Schicht (vgl.Band 1 Kapitel „Hartmagnetische Seltenerd-Dünnfilme“) ein Feld erzeugt, wel-ches eine der beiden weichmagnetischen Schichten des GMR-Sandwiches fest-hält und die Ummagnetisierung durch das zu messende äußere Feld verhindert[44]. Damit können günstige Werte für die Sensitivität erzielt werden.

Insgesamt kann man gegenwärtig keine pauschale Aussage treffen, welcheSysteme für Sensorikanwendungen besser geeignet sind. Wichtige Kriterien da-für sind neben der Leistungsfähigkeit auch die kostengünstige bzw. einfacheHerstellung. Verbesserungen in der Leistung können zwar erreicht werden, je-doch oft auf Kosten der Komplexität des Systems. Zunächst sprechen die gerin-geren Anforderungen an die Kontrolle der Zwischenschicht für Kostenvorteilebei ungekoppelten GMR-Systemen. Die in Abbildung 7 dargestellten Beispielefür reale GMR-Sensorschichtsysteme zeigen jedoch, daß es sich um recht kom-plexe Vielfachlagensysteme handelt. Daher ist ein Kostenvergleich im Einzel-fall zu treffen. Vorteilhaft hinsichtlich der Herstellungskosten ist, wenn dieGMR-Schichten durch Sputtern aufgebracht werden können und man nicht die

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aufwendige (aber hochpräzise) Molekularstrahlepitaxie (MBE) benötigt. Füreinen Vergleich der Verfahren siehe z. B. [45]. Für die ungekoppelten GMR-Systeme spricht, daß ihr MR-Effekt Anisotropie zeigt und leichter die Über-nahme von mit AMR-Sensoren erprobten Brückenschaltungen erlaubt (verglei-che Kapitel 2.7). Insgesamt sind die GMR-Vielfachschichten bezüglich An-wendungen mit den granularen GMR-Systemen zu vergleichen, welche gegen-wärtig zwar Kostenvorteile, jedoch Leistungsnachteile zeigen.

2.10 CMR-Effekt

Ein weiterer neuer Magnetowiderstandseffekt, wiederum auf einem anderenphysikalischen Wirkprinzip beruhend, wurde 1993 entdeckt. Wegen seiner e-normen Größe (�R/R bis mehrere einhundert Prozent) wird der Effekt als ko-lossaler Magnetowiderstand oder CMR bezeichnet. Begünstigt dadurch, daß derCMR-Effekt in Materialien gefunden wird, die im Rahmen der Hochtemperatur-

Gekoppeltes GMR-System (Aufbau des NVE-Sensors)

CoNiFe 2-4 nm

CoNiFe 2-4 nm...

Cu 2 nm

CoFe 1-1,5 nmCoNiFe 2-4 nm

CoFe 1-1,5 nm

CoFe 1-1,5 nm

Cu 2 nmCoFe 1-1,5 nm

...

Ungekoppeltes GMR-System

NiO 50 nm

NiO 50 nm

Cu 1,8 nm

Si-Substrat

Co 2,5 nm

Co 4 nmCu 1,8 nmCo 2,5 nm

Antiferromagnet

Antiferromagnet

weichmagnetische Sensorschichtweichmagnetische

SensorschichtenBiasschicht

nichtmagnetische Zwischenschicht

nichtmagnetische Zwischenschicht

Biasschicht

Abbildung 7: Beispiele für aus GMR-Schichtsystemen aufgebaute Sensorsysteme,nach [41].

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supraleitung intensiv untersucht werden, löste seine Entdeckung eine großeZahl von Forschungsaktivitäten weltweit aus.

Die extrem große Änderung des Widerstandes bei CMR-Systemen wird dadurcherklärt, daß ein äußeres Magnetfeld die Charakteristik des Stoffes vom elektri-schen Leiter zu einem Isolator verändert. Bei Metallen mit sehr schmalem Lei-tungsband ist ein äußeres Magnetfeld im Prinzip stark genug, die Energiebänderso zu beeinflussen, daß die Streuung der den Strom tragenden Leitungselektro-nen stark zunimmt. Ein Magnetfeld kann den Ordnungsgrad des Spingitters ei-nes Festkörpers vergrößern oder verkleinern, dementsprechend verändert sichder elektrische Widerstand. Im Gegensatz zum GMR-Effekt, der ein Grenzflä-cheneffekt ist, ist dieser CMR-Effekt ein Volumeneffekt, also eine intrinsischeEigenschaft bestimmter Festkörper.

Vom Zeitpunkt der Entdeckung an stellte sich die Frage, ob bzw. wie der CMR-Effekt technisch genutzt werden kann. Bisher stehen einer Anwendung nocherhebliche Hindernisse entgegen. Gegenwärtig kann noch keine Antwort aufdiese Frage gegeben werden.

Bei tiefen Temperaturen (4.2 K) konnte bereits 1967 gezeigt werden [46], daßmit äußeren Magnetfeldern in der Nähe der Ordnungstemperatur ein Metall-Halbleiter-Übergang erzeugt werden kann, was zu einer deutlichen Erhöhungdes elektrischen Widerstandes führt. Bei Raumtemperatur wurde ein kolossalerMagnetowiderstand erstmals 1993 in Systemen mit Perowskit-ähnlicher Struk-tur gefunden [47]3. Es handelt sich dabei um Systeme auf Manganoxid-Basis,meist LaXMnO3 mit X = Ca, Sr oder Ba. Die beobachteten Widerstandsände-rungen betragen �R/R = 200% und mehr in äußeren Magnetfeldern von einigenTesla. Rekordwerte liegen bei einer relativen Widerstandsänderung von 108%im Feld von 5 Tesla (vgl. Tabelle 1). Diese Verbindungen enthalten Mn3+ undMn4+-Ionen. Dabei ist der elektronische Grundzustand des Mn3+ durch einespontane Verschiebung im umgebenden Gitter entartet (Jahn-Teller-Effekt). DieLadungsträger in diesen Materialien sind stark gekoppelt an Mn-Ionen undvermitteln die ferromagnetische Wechselwirkung. Daraus wird qualitativ klar,daß eine Veränderung des elektrischen Widerstandes zu erwarten ist, wenn miteinem äußeren Magnetfeld die innere magnetische Ordnung beeinflußt werdenkann. Die Größe des Effektes resultiert nach bisherigem Verständnis daraus,daß das Magnetfeld zu einer solchen Veränderung der Spinstruktur führt, die

3 Erste Arbeiten zum CMR-Effekt wurden im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes

FKZ 13N6174 durchgeführt.

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praktisch einen Metall-Isolator-Übergang bewirkt. Da der Effekt im Vergleichzu anderen Magnetowiderstandseffekten so groß ist und die Perowskit-Systemedurch die Forschung im Bereich der Hochtemperatursupraleiter intensiv unter-sucht werden, hat der CMR-Effekt schon kurz nach der Entdeckung ein großeswissenschaftliches Interesse weltweit geweckt. Nach dem gegenwärtigen Standder Forschung sind es vor allem zwei Eigenschaften des CMR-Effektes, welcheeiner unmittelbaren Anwendung in der Sensorik entgegenstehen:

1. Es werden große äußere Magnetfelder von einigen Tesla benötigt, um denCMR-Effekt zu erzielen. In technischen Umgebungen stehen jedoch meistnur erheblich kleinere Felder zur Verfügung (unter einem Tesla bis Millites-la).

2. Der CMR-Effekt steht nur in einem relativ schmalen Temperaturband (um dieOrdnungstemperatur TC) als wirklich „kolossaler“ Effekt zur Verfügung(z. B. zwischen 90 und 140 K bei einem System mit TC = 130 K. Damit wäredie Einsatz-Temperatur eines CMR-Sensors an einen schmalen Bereich umTC gebunden (Abbildung 8).

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40

0

500

1000

1500

2000

2500

30000 40 80 120

160

200

240

280

320

360

400

440

Temperatur [K]

Wid

erts

nad

[Ohm

]

H = 0 Oe

H = 70 kOe

�R

La0,67Ca0,33MnO3

Wid

erst

and

[Ohm

]

Abbildung 8: Gezeigt ist der typische Verlauf des elektrischen Widerstan-des eines Perowskites vom Typ LaCaMnO3 bei zwei verschiedenenWerten für das äußere Magnetfeld. Die Differenz zwischen oberer undunterer Kurve entspricht der Magnetowiderstandsänderung. Sie ist hieram größten (�R/R = 72%) bei 280 K. Der Temperaturbereich, bei dem ei-ne „kolossale“ Widerstandsänderung durch ein äußertes Magnetfeld ver-ursacht werden kann, ist relativ schmal. Quelle [67].

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Zwar kann der Temperaturbereich gezielt zu höheren Werten (auch Raumtemperatur) hinverschoben werden, jedoch nur unter Einbußen bei �R/R, welches sich auf 20bis 200 % bei Raumtemperatur erniedrigt. Entscheidend ist jedoch, daß auchdann starke Magnetfelder benötigt werden, um den Effekt auszulösen. Deshalbliegt die Sensitivität bisher trotz des kolossalen Effektes bei Raumtemperaturweit unter S = 1 und damit weit unter den mit AMR- und GMR-Systemen er-eichten Werten (siehe Tabelle 1).

Forschung CMR

Aus diesen Punkten leiten sich die aktuellen Forschungsthemen ab:

� Verbesserung der Sensitivität,

� Vergrößerung bzw. Einstellung des Temperaturbereiches und

� Suche nach neuen Stoffklassen.

Der für den CMR-Effekt einschlägige Bereich der Metall-Isolator-Übergängewar schon vor der Entdeckung dieses Effektes ein Gebiet von hohem wissen-schaftlichen Interesse. Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen elekt-ronischen und magnetischen Eigenschaften eines Festkörpers einerseits unddessen strukturellen und stöchiometrischen Eigenschaften andererseits ist vongrundlegendem wissenschaftlichen Interesse in Festkörperphysik und Material-wissenschaft. Wie oben bereits beschrieben, wird der CMR-Effekt in Pe-rowskiten mit dem Jahn-Teller-Effekt gedeutet z. B. [48]. Jedoch gibt es auchandere Vorschläge: Da ein CMR-Effekt 1995 auch in Systemen mit Pyroch-lorstruktur (Tl2Mn2O7) anstatt Perowskitstruktur gefunden wurde [49], bei de-nen keine Jahn-Teller-Verschiebung vorliegt, scheint diese Verschiebung alsnotwendige Voraussetzung des CMR-Effektes auszuscheiden. Im Tl2Mn2O7-System wird eine Erklärung des CMR durch eine Koinzidenz von Superaus-tauschwechselwirkung und starker inkohärenter Streuung der Ladungsträgerdurch Spinfluktuationen vorgeschlagen [50].

Der CMR-Effekt ist im Vergleich zum GMR-Effekt (und erst recht zum AMR-Effekt) noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. Ein technisches Inte-resse gründet sich auf die im Vergleich zu den Magnetowiderstandseffekten an-deren Typs enorme Größe (gemessen in �R/R). Auch wenn von der Größe desEffekts bei Raumtemperatur ein Teil verschwindet, so ist er möglicherweiseimmer noch deutlich größer als der GMR.

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Um die CMR-Systeme für Sensoranwendungen zu nutzen, muß vor allem dasnoch nicht erreichte weichmagnetische Verhalten erzielt, d. h. die Sensitivitätfür ein zu detektierendes Feld verbessert werden. In diesem Zusammenhangwerden verschiedene Ansätze diskutiert und erste Erfolge werden berichtet: MitVerfahren ähnlich denjenigen bei GMR-Systemen (Kombination verschiedenerSchichten) konnte die Sensitivität deutlich verbessert werden [51, 52]. So habenweichmagnetische Ferritschichten den Effekt, mit ihrer hohen Permeabilität dasäußerere Feld so zu konzentrieren, daß der CMR-Effekt ausgelöst werden kann[53].

In [54] wurden effektive Schichtstrukturen erreicht, bei denen ein MR-Effektmit verbesserter Sensitivität erzielt wird. Dieser Weg führt im Bereich derCMR-Systeme gegenwärtig zu den Spitzenwerten von �R/R = 200% in ca.1kOe, was einer Sensitivität immerhin von S = 0,2 %/Oe entspricht - allerdings(noch?) nicht bei Raumtemperatur, sondern im Bereich 100 bis 270 K [55]. Eswird vermutet, daß auch Tunneleffekte, wie in Zusammenhang des TMR-Effektes beschrieben, (Kapitel 2.5) zur Steigerung des MR-Effektes in CMR-Systemen beitragen [56]. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, daß der CMR-Effekt sehr stark durch die Mikrostruktur des CMR-Materials beeinflußt werdenkann. So konnte (bei 77 K) durch gezielte Mikrostrukturierung eine Sensitivitätin der Größenordnung von 0,1% /Oe gemessen werden [57].

Ein Hemmnis für Anwendungen ist, wie erwähnt, der schmale Temperaturbe-reich, in dem der Effekt auftritt. Daher wird nach Wegen geforscht, den Tempe-raturbereich zu erweitern. Erste Erfolge dieser Art wurden in Übergitterstruktu-ren basierend auf dotiertem Mn-Oxid und SrTiO3 erzielt: Im System LaBaMnO3/SrTiO3 konnte im Bereich von 4 K bis 150 K 80% des maximalenCMR-Effekts stabilisiert werden. Außerdem ist es für technische Anwendungenwichtig, ausreichende Langzeitstabilität der Systeme zu erreichen.

Anwendungsoptionen ergeben sich neben dem Bereich Sensorik wegen derStärke des Effektes auch bei Bolometern, Schaltern, Membranen und Sicherun-gen. Die Erforschung des CMR kann in hohem Maße von der im Rahmen derHochtemperatur-Supraleitungsforschung gesammelten Erfahrung beim Her-stellen und Charakterisieren der Perowskitproben profitieren. Problematisch ist,wie im Gebiet der Hochtemperatur-Supraleitung, die exakte Einstellung desSauerstoffgehaltes der Proben. Die Herstellung und die Mikrostrukturierungvon dünnen Filmen aus Materialien mit CMR-Effekt ist mit den aus der Hoch-temperatur-Supraleitung bekannten Verfahren möglich.

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Anwendungen des CMR-Effektes werden zunächst eher komplementär zu den-jenigen des AMR- und GMR-Effektes sein. Sie scheinen gegenwärtig auf Spe-zialbereiche beschränkt, bei denen große Felder verfügbar sind bzw. gemessenwerden müssen, wie es z. B. in einigen Bereichen der medizinischen und chemi-schen Diagnostik, und der Forschung (Hochfeldmagnete, Teilchenbeschleunigerund -detektoren) der Fall ist. Insbesondere dort, wo hohe Felder und tiefe Tem-peraturen (wie in hochtemperatursupraleitenden Systemen) vorkommen, kannder „kolossale“ CMR-Effekt möglicherweise zu sehr sensitiven Sensoren ge-nutzt werden.

Hervorzuheben ist die Tatsache, daß die Manganoxide eine neue Stoffklassedarstellen: Ihre elektrische Leitfähigkeit ist nicht viel schlechter als die vonMetallen und viel besser als diejenige von Ferriten. Jedoch sind es eben Oxideund keine Metalle. Mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes kann die Leitfähigkeitvom Zustand eines relativ guten Isolators bis zu einem relativ guten Leiter ge-schaltet werden.

Es wurde bereits in dieser Stoffklasse gefunden, daß ein Übergang vom antifer-romagnetischen Isolatorzustand zum leitenden ferromagnetischen Zustand auchdurch Röntgenlicht erzeugt werden kann [58]. Der im System PrCaMnO bei 40K gefundene Effekt kann möglicherweise für Anwendungen als Röntgensensoroder zur Herstellung ferromagnetischer Nanostrukturen mittels Röntgenstrahl-lithographie genutzt werden. Solche Strukturen könnten als Datenspeicher ge-nutzt werden.

Wenn man bestimmte Eigenschaften einer schon eingegrenzten Stoffgruppe op-timieren will, kann zum effizienten Finden neuer Materialien auch die Strategiedes kombinatorischen Ausprobierens geeignet sein. Dies ist von Forschern ausBerkeley für 128 Kombinationen in Zusammensetzung und Stöchiometrie ausder Gruppe der Perowskit-Manganoxide erfolgreich durchgeführt worden [59].

Die Entdeckung des CMR-Effektes in Mangan-Perowskiten hat die Suche nacheinem solchen Effekt auch in anderen Stoffsystemen ausgelöst. Neben demschon erwähnten Pyrochlorsystem Tl2Mn2O7 wurde der CMR-Effekt auch inSpinellsystemen der Struktur ACr2S4 entdeckt, wobei A für Übergangsmetallio-nen wie z. B. Fe oder Cu steht [60]. Mit diesen Entdeckungen ist gezeigt, daßder CMR-Effekt nicht auf eine einzige Stoffklasse mit wenigen Variationsmög-lichkeiten beschränkt ist, sondern sich zunehmend neue Kombinationsmöglich-keiten für neue CMR-Materialien ergeben. Daher besteht ein Potential, mögli-

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cherweise auch die bisher für Anwendungen ungünstigen Eigenschaften derCMR-Systeme zu eliminieren.

2.11 GMI-Effekt

Neben den bisher betrachteten MR-Effekten wurde 1992 ein weiterer Magne-towiderstandseffekt entdeckt, welcher ausschließlich den Wechselstromwider-stand (die Impedanz) Z eines magnetischen Stoffes verändert. Man bezeichnetdiesen Effekt, welcher im Gegensatz zu den bisherigen im Rahmen der klassi-schen Elektrodynamik erklärt werden kann, als Magnetoimpedanz [61]. DieGröße des Effektes wird in der relativen Impedanzänderung �Z/Z gemessen. Dabei Drähten oder Bändern aus amorphem weichmagnetischen Material unterEinwirkung eines (statischen) Magnetfeldes Werte bis zu �Z/Z = 250 % gefun-den wurden, wird der Effekt auch als „giant magnetoimpedance“ oder GMI be-zeichnet. Der Effekt wurde erstmals in amorphem FeCoSiB gefunden [62].

Ein Draht aus amorphem Material der Zusammensetzung Fe4,3Co68,2Si12,5B15

erreicht im Bereich der Wechselstromfrequenz von 0,1 bis 10 MHz Werte für�Z/Z von 40 bis 60 % in einem Feld von nur 3 bis 10 Oe, was einer Sensitivitätvon ca. S = 10 %/Oe entspricht. Der GMI-Effekt, welcher z. B. in Drähten von1 mm Länge und einigen Mikrometern im Durchmesser beobachet werden kann,zeigt ein hysteresefreies Verhalten. Die bisher größten Widerstandsänderungenliegen bei �Z/Z = 250 % [63], wobei ein S = 29%/Oe bei einer Frequenz von 1MHz erreicht wird. Noch höhere Werte (�Z/Z = 360 %) wurden in FeSi0,03 er-reicht [64].

Eine Voraussetzung für den GMI-Effekt ist, daß bei hohen Wechselstromfre-quenzen der Stromfluß in der äußeren Hülle eines Leiters konzentriert ist (Skin-effekt). Da dann die Impedanz neben der Frequenz auch eine Funktion der Per-meabilität ist (und diese eine Funktion des äußeren Magnetfeldes), kann mit ei-nem äußeren Magnetfeld die Impedanz verändert werden. Der GMI-Effekt kannin verschiedenen weichmagnetischen Materialien beobachtet werden. Dabeiwerden Spitzenwerte in �Z/Z erreicht, wenn die Domänenwände senkrecht zurStromrichtung und zum äußeren Feld stehen. Eine Beschreibung des physikali-schen Wirkprinzips und des Forschungsstandes bis 1994 enthält [65].

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2.12 Anwendungen des GMI-Effektes in der Sensorik?

Einerseits erzielt der GMI-Effekt Spitzenwerte in der Sensitivität. Andererseitsrangiert er im Stellenwert des wissenschaftlichen und technischen Interessesweit hinter den anderen MR-Effekten. Warum das so ist, läßt sich gegenwärtignicht leicht beantworten. Sowohl physikalische als auch nicht-physikalischeGründe spielen dabei eine Rolle. Zu den physikalischen Gründen zählt, daß derGMI-Effekt an den Skin-Effekt gebunden ist und daher Frequenzen im MHz-Bereich zum Betrieb eines GMI-Sensors erforderlich sind. Diese Anforderungist nicht verträglich mit der angestrebten Einfachheit der Schaltkreise, welche inder Regel nicht für solch hohe Frequenzen ausgelegt werden. Außerdem sinddie bisher verwendeten weichmagnetischen GMI-Materialien nicht kompatibelmit der Silizium-Technologie. Auch scheint der GMI-Effekt bisher nur inDrähten, welche Abmessungen im mm-Bereich haben, erzielbar zu sein. Dasbedeutet, daß ein GMI-Sensor weniger leicht in Mikrosysteme integrierbar ist,als z. B. ein GMR-Sensor, welcher aus Dünnschichten aufgebaut ist. Außerdemließen sich solche Drähte auch nicht so kostengünstig mit lithographischen Ver-fahren herstellen. Weitere Nachteile liegen in der Temperaturstabilität derWeichmagnete und vor allem in ihrer Anfälligkeit gegenüber Störfeldern, wasbei einem technischen Einsatz eine Abschirmung erforderlich machen würde.Zu den nicht-physikalischen Gründen zählt, daß der GMI-Effekt im Rahmen derklassischen Physik verstanden werden kann und somit wenig Grundlageninte-resse auf sich zieht. Der GMI-Effekt ist (wie der AMR-Effekt) nicht Basis einerechten Nanotechnologie. Konferenzbeiträge zum Thema GMI sind oft in denSitzungen über Weichmagnete „versteckt“ und werden nicht im Rahmen deranderen MR-Effekte behandelt. Auffällig ist, daß die Forschung im BereichGMI neben den japanischen Entdeckern eine Domäne brasilianischer, spani-scher und einer rumänischen Gruppe ist. Aus diesem Kreis stammen auch dieersten Vorschläge für Sensoranwendungen des GMI-Effektes [66]. Die Frage,wie hoch das Anwendungspotential des GMI-Effektes ist, ist also bisher nichtzu beantworten. Eine systematische Untersuchung, welche den an sich vielver-sprechenden GMI-Effekt auf seine technischen Verwertungschancen prüft, istbisher nicht bekannt.

2.13 Messung extrem kleiner Felder: XMR-Technologien versus SQUIDs

Für viele Anwendungen von Magnetfeldsensoren ist eine Empfindlichkeit, diedie Messung schwächerer Felder als die des Erdmagnetfeldes (ca. 0.02 mT)möglich macht, wegen der dann ebenfalls nötigen Abschirmung nicht sinnvoll.So sind die Felder, die bei den mit dem GMR-Effekt zu lesenden Festplatten

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auftreten, von der Größenordnung einiger Millitesla (ca. 4 mT). In diesem Be-reich ist die Miniaturisierung entscheidend, welche bei Systemlösungen oft mitMiniaturisierungen anderer Komponenten mithalten muß.

Es gibt aber z. B. im medizinischen Bereich, bei der zerstörungsfreien Werk-stoffprüfung und bei geologischen Detektionsverfahren Anwendungen, wo dieNachweisbarkeit von extrem kleinen Feldern interessant ist (vgl. auch Kapitel3.3). Mit SQUID-Sensoren wurde bereits sowohl die berührungslose Messungder die Hirnströme begleitenden Magnetfelder (MEG) als auch der ebenso auf-gezeichnete Herzschlag (MKG) demonstriert.

Sensoren, die den AMR- oder GMR-Effekt nutzen, werden wahrscheinlichnicht an die mit Tieftemperatur-SQUIDs mögliche Empfindlichkeit (kleinstesmeßbares Feld: 0.1fT/�Hz ) herankommen, haben aber den Vorteil, daß sie imGegensatz zu diesen auch bei Raumtemperatur funktionieren und man dahernäher an den Ausgangspunkt des Feldes (Hirnstrom, Permanentmagnet) heran-kommt. Daher ist die untere Nachweisgrenze auch von solchen Sensoren inte-ressant. Die untere Nachweisgrenze käuflicher AMR-Sensoren liegt mit0,5nT/�Hz bereits im Nanoteslabereich, angestrebt wird der Femtoteslabereich(siehe Kapitel 2.2). Die GMR-Technologie ist noch jung und eher in denGrundlagen steckend, so daß eine extrem niedrige untere Nachweisgrenze nochnicht angestrebt wurde. Daher kann bisher nur geschätzt werden, welches Leis-tungspotential GMR-Systeme in dieser Hinsicht bieten. Da der GMR-Effekt et-wa eine Größenordnung größer als der AMR-Effekt ist, erwartet man, daß dieuntere Nachweisgrenze um eine Größenordnung niedriger liegen wird. Für etwa1 �m große Detektoren nach dem GMR-Prinzip ergäbe sich, daß noch etwa0,001% der Feldstärke des Erdmagnetfeldes bei einer Bandbreite von 1 Hzmeßbar wäre. Mit großflächigen Sensoren nach dem GMR-Prinzip liegt dieNachweisgrenze bei etwa 1 pT/�Hz und damit in dem Bereich, der auch vonHochtemperatur-SQUIDs erreicht wird. Damit ist also zu erwarten, daß GMR-Sensoren in den Anwendungsbereichen medizinische Diagnostik, zerstörungs-freie Werkstoffprüfung und geologische Messungen in Konkurrenz zu Hoch-temperatur-SQUIDs stehen werden, welche aufgrund der erforderlichen Kühl-technik technisch aufwendiger und teurer sind. Verwendet man eine solcheKühltechnik auch für AMR-Sensoren, kann deren untere Nachweisgrenze nocheinmal gesenkt werden, weil dann das geringere thermische Rauschen die Auf-lösung kleinerer Signale möglich macht. Die folgende Tabelle vergleicht die fürGMR geschätzten Empfindlichkeiten mit denen, die von anderen Sytemen er-reicht werden. Für mögliche CMR-Sensoren können noch keine Angaben dieserArt gemacht werden.

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UntereNachweisgrenze

AMR GMR

(geschätzt)

Hochtemperatur-SQUIDs

Tieftemperatur-SQUIDs

in T/�Hz 10-10 bei Raum-temperatur,

10-11 bei 77° K

10-12 im Labor beiRaumtemperatur

10-12 bis 10-13 10-12

im Labor 10-1410-15

in Bruchteilen desErdmagnetfeldes

10-5 bis 10-7 10-7 bis 10-8 10-7 bis 10-9 10-10

Tabelle 2: Vergleich der unteren Nachweisgrenze von magnetoresistiven undsupraleitenden Sensoren

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3 Innovationsimpulse aus dem Bereich der Magnetoelektronik

Es ist zu erwarten, daß die neuen Effekte GMR, TMR und GMI und mögli-cherweise CMR gegenüber bisherigen Systemen zu leistungsfähigeren undkostengünstigen Lösungen führen sowie insbesondere der Sensorik neueEinsatzbereiche erschließen werden. Der schon ältere AMR-Effekt ist zwar inder technischen Reife voraus, jedoch ist sein Potential insbesondere bei derSenkung der unteren Nachweisgrenze immer noch nicht erreicht. Die AMR-Technologie hat eine Öffnungsfunktion für die XMR-Technologie allgemein.Aufgrund seines wissenschaftlichen Reifegrades wird als weiterer der GMR-Effekt die Schwelle zur technischen Nutzung überschreiten. Von geringererNähe zur technischen Nutzung ist der TMR-Effekt (siehe dazu Kapitel 2.8).Vom CMR-Effekt kann noch nicht gesagt werden, ob er gegenüber den anderenMR-Effekten zu überlegenen Lösungen geeignet ist. Der GMI-Effekt ist imRahmen der klassischen Physik erklärbar und deshalb für die physikalische For-schung weniger interessant. Dennoch bietet dieser Effekt einige sehr günstigeEigenschaften für technische Nutzung, welche bisher nicht systematisch aufUmsetzung hin untersucht werden. Insbesondere im Bereich GMR ist die Pa-tentlage zu beachten. In diesem Bereich haben die stark zunehmenden Kombi-nationsmöglichkeiten und die Absicht, bestehende Patente zu umgehen, dazugeführt, daß eine Reihe nicht stark voneinander abweichender GMR-Systememit Patentschutz belegt sind. Eine Übersicht über den technisch-wissenschaftlichen Reifegrad der verschiedenen MR-Effekte zeigt Abbildung 9.

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3.1 Informationstechnik und Elektronik

3.1.1 Leseköpfe für Magnetspeicher

Am weitesten fortgeschritten ist die Nutzung der XMR-Technologie im Bereichder Festplattenleseköpfe [67]. Dort zählt vor allem das Miniaturisierungspo-tential eines Sensors. In diesem Punkt ist der GMR-Effekt dem AMR-Effektüberlegen. Die Firmen IBM, Fujitsu, Hitachi und NEC haben bereits Leseköpfeberuhend auf dem GMR-Effekt vorgestellt und bei der Firma Philips gibt es ei-

EntdeckungAufklärung

TechnischeRealisierungPrototypen

Anwendung Innovation

VerbreitungDiffusion

CMR

TMR AMR

GMI

AMR Leseköpfe

GMR Leseköpfe

GMR in Schichtsystemen

GMR in granularen

Systemen

Entwicklungsstufen des technisch-wissenschaftlichen Reifegrades

Festkörper-physikGrundlagen

Festkörper-physikangewandt

Werkstoff-wissenschaft

Ingenieur-wissenschaft

Abbildung 9: Die verschiedenen MR-Effekte sind - abhängig von den Eigenschaf-ten des Effektes und dem Entdeckungsdatum - in unterschiedlichen technisch-wissenschaftlichen Entwicklungsstufen. Die F&E-Aktivitäten der AMR-Leseköpfewerden vom Markt getragen. Beim CMR-Effekt ist eine technische Verwertbarkeitnoch nicht erwiesen. Bei allen anderen Feldern ist eine baldige technische An-wendung wahrscheinlich. Zusätzlich ist eine grobe Zuordnung zu den Fachdiszipli-nen angegeben.

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nen entsprechenden Demonstrator für einen linearen digitalen Videorekorder(im Gegensatz zum „helical scan“ Video Rekorder sind beim „linearen“ Verfah-ren z. B. 12 Magnetköpfe nebeneinander montiert, die das Band in seiner Lauf-richtung parallel abtasten). Mittlerweile sind Prototypen von GMR-Leseköpfenfür Festplatten entwickelt, die eine Dichte von 5 Gbit/in2 lesen können, was ca.einen Faktor 5 besser ist, als konventionelle Leseköpfe. Der Markt für Leseköp-fe beträgt ca. 180 Millionen Stück pro Jahr zu einem Stückpreis von ca. 8 $ proLesekopf. Der Anteil der GMR-Leseköpfe daran ist im Jahr 1997 noch margi-nal.

Statt das Potential der größeren Sensitivität des GMR-Sensors auszunutzen,könnte man ihn auch bei gleicher Sensitivität mit weniger Strom betreiben alseinen AMR-Sensor. Dies böte wiederum die Möglichkeit zum Batteriebetriebund zum Einsatz von portablen Geräten. Solche Überlegungen gibt es bei derFirma Philips in Bezug auf digitale Walkman-Geräte, die mit dem GMR-Effektprinzipiell realisierbar geworden sind.

3.1.2 Magnetoelektronik, Spintransistoren, Magnet-Halbleiter-Strukturen

Zu den völlig neuen Anwendungsbereichen zählt der Einsatz der XMR-Technologie in der Elektronik: Der Unterschied und möglicherweise Vorteil,der bei magnetischen metallischen Schichtungen im Vergleich zu reinen Halb-leitern zum Tragen kommen könnte, ist die viel höhere Elektronendichte bei denMetallen, die bei magnetoresistiven Systemen zum Einsatz kommen. Sie erlaubtgrundsätzlich eine stärkere Miniaturisierung elektronischer Bauteile. Es gibtÜberlegungen, die „Bipolarität“ der Halbleiter, bestehend aus Elektronen undLöchern, auf die beiden Spinrichtungen „auf“ und „ab“ in magnetischen Metal-len abzubilden. Ein Name für diese neue Elektronik ist schon geprägt: Magne-toelektronik. Sie soll eine noch höhere Packungsdichte von elektronischenBauteilen als bisher möglich machen. Erste Ideen dieser Art sind in [68] publi-ziert. In diesem Zusammenhang wird sowohl der Aufbau elektronischer Bau-steine nur aus metallischen GMR- bzw. TMR-Elementen als auch die Integrati-on von magnetischen Systemen in Halbleiterstrukturen untersucht. Ersteresführt zu Konzepten für eine neuartige Generation von Schreib-Lese-Speichern(siehe Kapitel 3.1.3). Letzteres kann ebenso für neuartige Schreib-Lese-Speicher genutzt werden, darüber hinaus aber zu elektronischen Bausteinen, dieeine breitere Bedeutung für die bisherige Transistortechnologie haben. Basis derdiesbezüglichen Überlegungen ist ein „Spintransistor“, der als Demonstratorschon vorhanden ist und sogar umso besser funktioniert, je kleiner er ist (dieuntere Grenze ist durch den superparamagnetischen Grenzfall gegeben): So

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kann in die Struktur eines Transistors bestehend aus Kollektor/Basis/Emitterdurch eine Halbleiter/Magnet/Halbleiter-Struktur realisiert werden. Der Stromdurch die Basis kann dabei durch die Magnetisierung der Basis, also durch spi-nabhängige Streuung gesteuert werden.

Ein etwas anderer Vorschlag nutzt die Tatsache aus, daß ein Tunnelelementnach dem Prinzip des TMR-Sandwiches auch so realisiert werden kann, daßanstatt der sehr dünnen oxidischen Zwischenschicht (vgl. Abbildung 5) eineHalbleiterverbindung genutzt werden kann. Da beim Transport der Elektronendurch den Halbleiter deren Spinpolarisation über eine deutlich längere Streckeals in der oxidischen Zwischenschicht erhalten bleibt, muß in diesem Fall die(halbleitende) Tunnelbarriere weder extrem dünn noch extrem genau her-gestellt sein, wie es bei den TMR-Sandwiches der Fall ist. Dieses ist mögli-cherweise ein wichtiger Vorteil, wenn man elektronische Bauteile aus vielengleichartigen MR-Elementen aufbauen will, welche alle gleiche magnetoelekt-ronische Eigenschaften haben müssen. Eine solche Struktur zeigt Abb.10). A-nalog zur Optik kommt es auf die relative Stellung von Injektor (Spin-Polarisator) und Analysator an. Diese bestimmt, ob der Widerstand hoch oderniedrig ist und wird hier durch parallel oder antiparallel magnetisierte Magnet-kontakte realisiert. Wird zwischen diesen Magnetkontakten ein weiterer Brü-ckenkontakt (Gate) angebracht, so läßt sich die durch den Injektor eingestellteSpinpolarisation der Elektronen dosiert verändern. Damit hätte man ein Bauteil,mit Hilfe dessen man den Stromfluß kontinuierlich durchstimmen könnte unddamit eine elektronische Komponente äquivalent zu einem Feldeffektran-sistor. Diesen Konzepten stehen bisher noch eine Reihe ungelöster Fragen ge-genüber. So ist noch unklar, welche Verstärkungsfaktoren man mit Sprintran-sistoren erreichen kann und welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, umdie gewünschte Ankopplung der Magnetschichten an das Halbleitermaterial zuerreichen.

Falls sich die Konzepte der Magnetoelektronik als überlegen erweisen, werdensie neuartiges Design elektronischer Schaltkreise sowie neue weiterführendeLösungen für Logikbausteine und Datenspeicherarchitekturen erlauben.

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3.1.3 Magnetische RAM-Datenspeicher (MRAM)

GMR- und TMR-Elemente sind die Grundbausteine zur Konstruktion deutlichverbesserter Schreib-Lese-Speicher4 (random access memory RAM) für Com-puter [69]. Diese werden zur Abgrenzung zum gegenwärtigen Standard derDRAMs magnetoresistive RAMs oder MRAMs genannt. Das Grundprinzip derMRAMs wurde schon vor Entdeckung des GMR- bzw- TMR-Effektes vorge-schlagen: 1985 wurde zum erstenmal ein MRAM-Verfahren basierend auf Hall-Effekt-Elementen patentiert [77]. Diesen Ideen wurden jedoch bis vor kurzemkeine erhöhte Aufmerksamkeit zuteil. Im Zuge der Untersuchung der MR-Effekte wurde der Vorschlag der magnetischen Schreib-Lese-Speicher erneut

4 Die Schreib-Lese-Speicher oder Arbeitsspeicher (RAMs) sind nicht zu verwechseln mit

den magnetischen Massenspeichern (Band 1 Kapitel „Speichermagnete“).

Ferromagnet (Injektor) Ferromagnet (Analysator)

Halbleiter

Stromrichtung

130 Nanometer

Abbildung 10: Prinzip des Spintransistors. Auf einem Halbleiter befinden sichzwei ferromagnetische Kontakte. Der durch den Injektor eintretende Strom wirddurch die Magnetisierung polarisiert. Die Dimensionen sind so ausgelegt, daßbei Stromfluß durch den Halbleiter die Spinpolarisation der Leitungselektronenbis zum Analysator erhalten bleibt. Der Stromaustritt kann nun über die Richtungder Magnetisierung des Analysators gesteuert werden. Damit hängt also dieGesamtstromstärke durch das Magnet-Halbleiter-Element von der relativenMagnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten ab. Durch einen zu-sätzlichen, hier nicht eingezeichneten Gatekontakt zwischen den magnetischenSchichten kann der Stromfluß kontinuierlich geregelt werden. Ein solches Mag-net-Halbleiter-Element hat dann dieselbe Funktionalität wie ein Feldeffekttran-sistor. Quelle [71].

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aufgegriffen. Seitdem wird dem Thema MRAM international (gemessen in Bei-trägen und Publikumsinteresse auf internationalen Konferenzen) starke Auf-merksamkeit entgegengebracht. Mit Hilfe der MRAMs kann die Magnettech-nologie in einen Bereich vordringen, der bisher von der Halbleitertechnologiebeherrscht wird. Im Bereich Datenspeicherung konnte bisher die hohe realisier-bare Speicherdichte von magnetischen Materialien nur um den Preis langerZugriffszeiten genutzt werden (Festplatte mit Lesekopf). Dort, wo schnelles Le-sen und Schreiben notwendig ist, wie es der Arbeitsspeicher des Prozessors er-fordert, dominieren Halbleiterspeicher. Nur damit ist bisher eine hohe Zugriffs-geschwindigkeit zu realisieren, allerdings um den Preis relativ geringer Spei-cherdichte. Mit Hilfe der MRAMs könnten nun die Vorteile beider Systemevereint werden: Hohe Speicherdichte der metallischen Magnetmaterialien undhohe Zugriffsgeschwindigkeit durch direkte elektronische Auslese, welche denGMR- oder TMR-Effekt nutzt.

Ein auf dieser Technologie basierendes 16 Kilobit Speicherelement ist bereitsvon der Firma Honeywell präsentiert worden. Ein MRAM kann so realisiertwerden, daß man als Speicherelemente eine Vielzahl GMR- oder TMR-Sandwiches benutzt, die durch ihre Magnetisierungsausrichtung – parallel oderantiparallel – die beiden binären Zustände 0 und 1 darstellen. Für das Auslesenmißt man einfach den elektrischen Widerstand des Speicherelementes(Abbildung 11). Der Speicher hat im Vergleich zum heutigen HalbleiterspeicherDRAM den Vorteil, daß er nicht flüchtig und der Auslesevorgang nicht de-struktiv ist. Wegen des beachtlichen Spannungsabfalls über die schmalen Lei-terbahnen eines solchen Speichers wäre ein hoher Widerstand des magnetore-sistiven Speicherelementes von Vorteil. Er könnte durch isolierende Zwischen-schichten und Ausnutzung des spinabhängigen Tunneleffektes erreicht werden.Es werden bereits Untersuchungen durchgeführt, ob GMR oder TMR besser zurHerstellung von MRAMs sind. Bisher stellt die Herstellung von Multi-GMR-Strukturen mit uniformen Eigenschaften im Submikronbereich noch ein Prob-lem dar.

Mittlerweile sind mehrere Prototypen von MRAMs vorgestellt worden. Sie sol-len deutlich kürzere Zugriffszeiten als DRAMs ermöglichen. Diese Zeiten hän-gen bei MRAMs im wesentlichen von der Ummagnetisierungsgeschwindigkeitder magnetischen Speicherelemente ab. Die in diesem Bereich verstärkt einge-setzten Simulationsrechnungen zeigen, daß mit MRAMs Bit-Schaltzeiten von 1ns realisierbar sind, welches Taktzyklen im Gigahertzbereich entspricht. Bisherverwendete DRAMs haben einen im Vergleich zu MRAMs erheblich kompli-zierteren Aufbau. Es wird daher erwartet, daß MRAMs auch bei den Herstel-

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lungskosten günstiger sein werden. Abbildung 11 zeigt den prinzipiellen Auf-bau eines MRAMs auf Basis von Tunnelelementen, welche mit Leiterbahnen soverbunden sind, daß eine einfache elektronische Auslese möglich ist.

Da MRAMs als Magnettechnologie für einen Breich, der bisher von der Halb-leitertechnologie beherrscht wird, relevant sind, ist zu erwarten, daß ein ver-schärfter Technologiewettbewerb stattfinden wird. Falls sich die erwartetentechnologischen Vorteile der MRAMs als umsetzbar erweisen, wird es von derBereitschaft (großer) Firmen abhängen, als Technologieführer in den Markt derHalbleiterspeicher einzudringen. In diesem Fall ist mit einem erheblichen Um-satzvolumen durch MRAMs zu rechnen.

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3.2 Maschinen- und Fahrzeugbau (Sensorik)

Die Bereiche Maschinen- und Fahrzeugbau stellen weniger das Miniaturisie-rungspotential einer Sensortechnologie in den Vordergrund. Wichtiger sind dortmeist komplexe Anforderungen (hoher Signalhub, bestimmte Kennlinienei-

MRAM aufgebaut aus TMR-Elementen

150 Nanometer

Leiterbahnen zum Auslesenund Schreiben der Bits

TMR-Elemente

Ferromagnet

AB

C

D

Tunnelbarriere

Antiferromagnet

"0"

"1"

Auslesen durch Strom von A nach D

Schreiben durch unterkritischen Strom von A nach C plus Strom von C nach D

Abbildung 11 zeigt das Prinzip des magnetischen Schreib-Lese-Speichers MRAM. Er istaus einer Vielzahl von TMR-Elementen (oder GMR-Elementen) aufgebaut. Ein solcherSpeicher vereinigt die Vorteile der heute üblichen Halbleiter-Schreib-Lese-SpeicherDRAM (kurze Zugriffszeit) mit derjenigen der Magnetmassenspeicher (hohe Speicher-dichte). Die binäre Information („0“ oder „1“) wird durch die relative Magnetisierung dermagnetischen Schichten eines einzelnen TMR-Elementes gespeichert. Quelle [71].

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genschaften, Temperaturstabilität, Langzeitstabilität, bestimmte Winkelabhän-gigkeit und weitere wie bereits oben diskutiert). Dennoch spielt auch dort Mini-aturisierung eine wichtige Rolle, nämlich was einen kostengünstigen Herstel-lungsprozeß angeht. Dort bestimmt die Anzahl der zu realisierenden Sensorele-mente pro Waver die Produktionskosten wesentlich.

Der europäische Markt für Sensoren mechanischer Parameter – das potentielleEinsatzgebiet der XMR-Sensoren – wird auf ca. 500 Millionen Dollar geschätztund es wird eine Verdoppelung in weniger als 10 Jahren erwartet [72]. Basisdieser Prognose sind die erwarteten Zunahmen des Automatisierungsgrades, derSicherheitstechnik und Komfortnachfrage sowie der durch Ressourcenknapp-heit und Umweltschutz erzwungenen Effizienzerhöhung in den Bereichen Au-tomobil, Schienen- und Luftfahrzeuge, Haushalt und Maschinenbau.

Die Firma Nonvolatile Electronics Inc. (NVE) ist als erste und bis Mai 1997einzige mit einem GMR-Sensoren zur Detektion mechanischer Größen amMarkt vertreten. Neue GMR-Sensoranwendungen wurden von Siemens (Kon-taktloser Potentiometer, der die neuartige Uniformität des MR-Signals über ei-nen weiten Feldbereich nutzt) und dem Naval Research Laboratory (Nutzungdes linearen Anstiegs des GMR-Signals zur Messung des Abstandes) vorge-stellt, welche beide u. a. die spezielle Winkelabhängigkeit des GMR-Effektesausnutzen (360° Periode des Signals). Seit Mai 1997 ist Siemens mit diesemGMR-Sensor zur Winkeldetektion auf dem Markt vertreten.

Neben dem technischen Potential der GMR-Systeme ist es vor allem die Vielfaltder Kombinationsmöglichkeiten von Materialien und strukturellen Eigenschaf-ten, welche es ermöglicht, gemäß den Anforderungen eines speziellen Anwen-dungbereiches optimierte Systeme anzustreben. So sind z. B. auch Sensorfelder(Sensorarrays) zur Positionsdetektion mit hoher Auflösung möglich, welche auseiner Vielzahl von XMR-Elementen zusammengesetzt sind. Eine Darstellungder AMR- und GMR-Sensorik im Vergleich zu anderen bisher im Fahrzeugbauverwendeten Verfahren findet sich in [73].

3.3 Medizintechnik, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

In den Bereichen Medizintechnik und zerstörungsfreie Werkstoffprüfung zähleninsbesondere extrem niedrige Nachweisschwellen. Neu vorgeschlagene An-wendungen von Sensoren im medizinischen Bereich stützen sich auf die Mög-lichkeit, magnetische Partikel mit biochemischen Substanzen zu überziehen und

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diese mit Hilfe von Magnetfeldern zu bewegen. So wurde vorgeschlagen, mitHilfe von Magnetfeldern einen etwa reiskorngroßen Permanentmagneten gezieltan eine gewünschte Stelle im Gehirn zu transportieren, der eine oder mehrerekleine Kapseln von Medikamenten nach sich zieht, siehe auch [75]. Damit lie-ßen sich Tumore oder andere Erkrankungen ohne den weit massiveren Eingriffeiner Operation behandeln. Zur Lokalisierung des Magneten sind empfindliche,teilweise auch miniaturisierte Magnetfeldsensoren notwendig. GMR- aber auchAMR-Sensoren bieten in diesem Bereich das Potential gegenüber SQUIDs zutechnisch einfacheren, unkomplizierter anzuwendenden und kostengünstigerenLösungen. Die Analyse biomagnetischer Signale für Kardio- und Enzepha-lographie wurde bereits angesprochen (Kapitel 2.13).

Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nutzt man aus, daß sich Korrosion,Materialermüdung, Lecks oder andere Verschleißparameter in winzigen Mag-netfelddiskontinuitäten äußern. Mit geeigneten Sensoren, welche z. B. auchkostengünstig und einfach genug sein müssen, um im Dauerbetrieb ein Monito-ring sensibler Bauteile zu ermöglichen, können erhebliche Kostenvorteile undSicherheitsgewinne erzielt werden.

Die hohe erreichbare Empfindlichkeit der GMR-Sensoren kann auch für präzisearbeitende Kompasse bei Schiffen und Flugzeugen genutzt werden.

3.4 Mikrosystemtechnik

Da Sensoren nach dem XMR-Prinzip sehr klein ausgeführt werden können undsich zur Systemintegration eignen, kommt die Mikrosystemtechnik als zukünf-tiger Anwendungsbereich in Frage. Da in magnetoresistiven Sensoren elektri-sche Signale direkt erzeugt werden, eignen sie sich besonders für die Integrationvon Elektronik mit Sensorik und Aktorik auf einem Chip. Für eine Miniaturisie-rung der Aktorik eignet sich die Ausnutzung der Magnetostriktion (siehe Band1 Kapitel „Magnetomechanik“). Damit werden integrierte Mikrosysteme denk-bar, die magnetfeldgesteuert elektrische und mechanische Parameter beeinflus-sen.

3.5 Bolometer, magnetische Schalter, neue magnetische Massenspeicher,Sensoren?

Für den CMR-Effekt sind noch keine Anwendungen bekannt, welche die Größedieses Effektes wirklich nutzen. Wenn es gelingt, die Probleme der hohen

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Schaltfelder und des eingeschränkten Temperaturbereiches der CMR-Systemezu lösen, können diese sehr schnell zu sehr leistungsfähigen Sensoren genutztwerden. Ist das nicht der Fall, könnten sich Anwendungen in Spezialbereichender Sensorik ergeben (z. B. für hohe Magnetfelder). Allerdings können CMR-Materialien möglicherweise auch zu Sensorlösungen führen, die die Größe desCMR-Effektes gar nicht nutzen. So kann das CMR-Material LaSrMnO3 als di-cker Film einfach durch Sprühen aufgetragen werden, erfordert also keine teureDünnfilmtechnik. Bei Raumtemperatur beträgt der MR-Effekt dieser dickenSchicht zwar nur noch 2%, was jedoch dem AMR-Effekt vergleichbar und fürSensoren durchaus interessant ist [70]. Außerdem können CMR-Systeme mög-licherweise als magnetische Schalter, Hochstromsicherungen oder als Bolome-ter genutzt werden. In all diesen Bereichen ist bisher nicht abzusehen, ob An-wendungen, die anderen MR-Systemen überlegen sind, erreicht werden. Inte-ressanter scheint die Anwendung der CMR-Materialien als neue Stoffklasse mitbesonderen Eigenschaften. Erste Ideen, wie diese als Massendatenspeicher ge-nutzt werden können, liegen vor (siehe Kapitel 2.10).

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4 Zusammenfassende Bewertung

4.1 Stellenwert der Anwendungsbereiche/Problemlösungsbeiträge

Abbildung 2, Seite 12, zeigt eine Übersicht über die Hauptanwendungsbereicheder XMR-Technologien. Diese auf Nutzung der Magnetowiderstandseffektebasierenden Technologien sind insbesondere für die Bereiche Sensorik und E-lektronik von großer Bedeutung.

Die Sensortechnologie ist eine typische Schlüsselanwendung: Leistungsgestei-gerte Sensoren, miniaturisierte Sensoren und integrierte Sensoren sind in derLage, Systeminnovationen auszulösen. Die XMR-Technologien können einendeutlichen Innovationsbeitrag für die in Deutschland wichtigen Wirtschaftsbe-reiche Automobil und Maschinenbau leisten. Ein weiterer in Deutschland wich-tiger Wirtschaftsbereich ist die Halbleitertechnik bzw. Elektronik. Auf diesenwird eine erfolgreiche Weiterentwicklung der MRAMs erhebliche Auswirkun-gen haben und eine teilweise Umstellung auf Magnettechnologie erfordern. Ü-ber die Aussichten eines Vordringens der Magnettechnologie in den Bereich derTransistoren und Magnet-Halbleiter-Strukturen läßt sich im gegenwärtigenFrühstadium dieser Entwicklung keine Aussage machen.

Im Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung können signifikante Beiträ-ge zur Kosteneinsparung bzw. Erhöhung der Sicherheit durch Einsatz neuerSensortechnologien erwartet werden. Insgesamt ist von einem verstärkten Ein-satz leistungsgesteigerter Sensoren ein signifikanter Beitrag zu einer verbesser-ten Prozeßsteuerung zu erwarten, welcher für die Bereiche Energie, Verkehrund Umwelt einen Problemlösungsbeitrag bedeutet.

Am wirtschaftlichen Nutzen, welcher durch den starken Innovationsschub imBereich der magnetischen Massendatenspeicher bewirkt und zu erheblichemMaße durch die Fortschritte bei den AMR- bzw. GMR-Leseköpfen getragenwird, partizipieren deutsche Unternehmen nur in geringerem Maße. Allerdingskönnten neue Entwicklungen im Bereich der Speichermagnete (siehe Band 1,Kapitel „Speichermagnete“) auch deutschen Unternehmen in Zukunft Anlaßgeben, in diesem Bereich wieder stärker engagiert zu sein.

Wichtige Innovationsbeiträge durch die MR-Sensorik, wenn auch in Bereichenwirtschaftlich kleinerer Bedeutung, sind in der Medizintechnik möglich.

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Gegenwärtig noch nicht von großer wirtschaftlicher Bedeutung, aber von gro-ßem Potential ist die Mikrosystemtechnik, zu der auch ein Beitrag der XMR-Technologien erwartet werden kann.

Von den neuartigen Anwendungen der XMR-Technologien in den bisherigenDomänen der Halbleitertechnik können – falls entsprechende Systeme(MRAMs, Spintransistoren, Magnet-Halbleiter-Systeme) auch unter Kostenge-sichtspunkten überlegene Eigenschaften zeigen – wirtschaftlich erhebliche In-novationsimpulse im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnolo-gien erwartet werden. Der mögliche Einzug der Magnettechnologie in den Be-reich der Halbleiter ist auch für deutsche Firmen von Relevanz.

4.2 F&E-Bedarf

Übergeordnetes Ziel anwendungsorientierter Forschung im Bereich der MR-Effekte ist die Steigerung des technisch-wissenschaftlichen Reifegrades fastaller MR-Effekte wie in Abbildung 9 angedeutet. Nur die AMR-Leseköpfe sindin der Phase der kommerziellen Verwertung, welche deren F&E-Bedarf zurWeiterentwicklung speist. Am anderen Extrempunkt der Skala befindet sich derCMR-Effekt, von dem erst zu klären gilt, ob ein technisches Verwertungspo-tential besteht. Dazwischen befindet sich die große Gruppe von MR-Effekten,bei welchen zu erwarten ist, daß sie in Anwendungen gelangen. In dieser Grup-pe ist sehr wahrscheinlich, daß eine gesteigerte F&E-Aktivität eine frühereAnwendung möglich macht und zu einem Innovationsvorsprung führt. Indust-riekooperationen mit Forschungsinstitutionen sind in all diesen Bereichen zuerreichen. Im Bereich der AMR-Sensorik für Maschinen- und Fahrzeugbau be-steht die Kooperation im Stadium ingenieurwissenschaftlicher Entwicklung,Pilotserienherstellung und Auftragsforschung. Da der AMR-Effekt nur geringesInteresse von seiten der Grundlagenforschung weckt, besteht die Aufgabe derForschungsinstitute im Technologietransfer. Vom GMR-Effekt in Schichtsys-temen ist zu erwarten, daß er einerseits bald in der Entwicklung dem AMR-Effekt folgen kann. Daher ist die Grundlagenforschung im Bereich GMR ver-bunden und angekoppelt an angewandte Projekte vorstellbar. Andererseits wirder seine Bedeutung als Modellsystem für die Festkörperphysik (angewandt undGrundlagen) behalten. Ebenso als Modellsystem für die Grundlagenforschungist der TMR-Effekt von Interesse, allerdings ist er in der technischen Entwick-lung noch nicht so weit wie der GMR in Schichtsystemen. Der GMR-Effekt ingranularen Systemen hat einige bestimmte Eigenschaften, die ihn in wichtigenAnwendungen den GMR-Schichtsystemen überlegen erscheinen lassen (sieheKapitel 2.4). Wegen der Strukturkomplexität der granularen GMR-Systeme sind

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diese aber weniger als Modellsysteme zur Grundlagenforschung interessant.Daher ist der GMR-Effekt in granularen Systemen eher Thema der angewandtenFestkörperphysik. Ähnliches kann vom GMI-Effekt gesagt werden: Dieser istebenso vom Standpunkt der Grundlagenforschung nicht so interessant, weil ermit den „einfachen“ Mitteln der klassischen Elektrodynamik erklärt werdenkann. Jedoch zeigt er einige für Anwendungen günstige Eigenschaften.

4.3 Hemmnisse

Im Bereich der Sensorik war die Entwicklung der magnetoresistiven Sensoren(bis 1988 war nur der AMR-Effekt bekannt) insbesondere für Anforderungenmit höchster Empfindlichkeit durch das starke Interesse, das die Entdeckung derHochtemperatursupraleitung ab 1986 geweckt hat, in den Hintergrund getreten.Man hat im Bereich höchster Empfindlichkeiten vorwiegend auf SQUIDs ge-setzt. Mittlerweile ist gezeigt, daß in diesem Bereich AMR-Sensoren konkur-renzfähige Leistungen erbringen. Obwohl seit Anfang der 90er Jahre in Anwen-dung, ist die AMR-Technologie der GMR-Technologie deshalb nicht um den-selben zeitlichen Abstand voraus.

Mittlerweile ist das Interesse an der magnetoresistiven Sensorik wieder stark.Die Gründe dafür sind erstens die Erfolge bei der AMR-Entwicklung, die Ent-deckung des GMR-Effektes (und weitere MR-Effekte) und eine Ernüchterungbei der Suche nach neuen Hochtemperatursupraleitern nahe der Raumtempera-tur.

Bei Sensorikanwendungen im Maschinen- und Fahrzeugbau besteht Konkur-renz zur Hall-Sonden-Technologie. Gegenüber Hall-Sonden bieten MR-Sensoren einen höheren Signalhub, die Möglichkeit zu stärkerer Miniaturisie-rung und damit deutlich besserer Ortsauflösung und bezüglich Temperatur- undFrequenzbereich erweiterte Einsatzmöglichkeiten. Man wird beim Einsatz vonMR-Sensoren eine höhere Designflexibilität erwarten können, es können größe-re Toleranzen bezüglich Abstand zum Gebermagnet gewährt werden und dieSignalverarbeitungssoftware kann einfacher sein. Ob Kostenvorteile bestehenbzw. erreichbar sind, ist im Einzelfall zu bewerten. Der bereits von NVE erhält-liche GMR-Sensor wird kostengünstig angeboten. Heute erhältliche Hall-Sonden sind ausgereifte Bausteine, welche auf gängigen Halbleiterlinien herge-stellt und in vielfältiger Spezifikation am Markt angeboten werden. Für Hall-Sonden gibt es Datenblätter, die alle für die ingenieurtechnische Konstruktionnotwendigen Parameter enthalten. Der wesentliche Nachteil der MR-Technologie liegt neuheitsbedingt in der Verfügbarkeit. Der entscheidende

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Vorteil der MR-Technologie ist, daß mechanische Parameter in bisher tech-nisch nicht erreichbaren Bereichen detektiert werden können (Winkelmessun-gen, hohe Ortsauflösung, geringe Anfälligkeit gegenüber Störfeldern, großeToleranzen). Eine Darstellung der AMR- und GMR-Sensorik unter ingenieur-wissenschaftlichen Gesichtspunkten im Vergleich zu anderen Verfahren findetsich in [73].

Aus den genannten Gründen sind insbesondere auch für KMU Kooperations-möglichkeiten wichtig, bei denen in Instituten Pilotentwicklungen durchgeführtwerden können. Für den Bereich der AMR-Sensorik deckt diesen Bereich dasInstitut für Mikrostrukturtechnologie und Optoelektronik (IMO) e.V. Wetzlarrecht gut ab. Es bietet KMU, vorwiegend der Region, Möglichkeiten zur Ent-wicklung von AMR-Sensoren, die für Systemlösungen maßgeschneidert sind.Der Bereich GMR ist noch näher an den Grundlagen und es besteht gegenwär-tig keine Möglichkeit in Deutschland, die Lücke zwischen Instituts- und Hoch-schulforschung einerseits und den Anwendern andererseits zu überbrücken. Siekönnte im Anschluß an die IMO-Aktivitäten geschaffen werden.

4.4 Günstige Rahmenbedingungen

Neben den Hemmnissen gibt es auch günstige Rahmenbedingungen, die genutztbzw. ausgebaut werden können. In technischer Hinsicht stellt die AMR-Sensorik den Wegbereiter der GMR-Sensorik dar. Das Interesse von Firmen(Anwendern der Sensorik z. B. im Maschinenbau) an der Nutzung der AMR-Sensoren ist vorhanden und mit dem IMO wird die Lücke zwischen Anwendernund Forschung gut überbrückt. Es wird von Experten erwartet (Kapitel 4.6), daßlangfristig die GMR-Technologie die AMR-Sensorik verdrängen wird.

Die GMR-Effekte in Schichtsystemen und in granularen Medien wurden vondeutschen Forschern entdeckt bzw. deutsche Gruppen gehörten zu den Erstve-röffentlichern. Dasselbe gilt für den CMR-Effekt. Gemessen an dem Vorsprungin der Initialphase sind die Aktivitäten in Deutschland gegenüber denjenigenanderer westlicher Industrieländer eher gering. Dies gilt insbesondere für denCMR-Effekt.

Die Untersuchung des CMR-Effektes profitiert vielfach von der im Bereich derHochtemperatursupraleitung gesammelten Erfahrung mit den entsprechendenStoffklassen. Weltweit ist zu beobachten, daß viele Gruppen aus diesem Bereichsich der Untersuchung des CMR widmen.

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4.5 Aktivitäten in Industrie und Ausland

Es gibt in fast allen führenden Industrieländern größere Institute, die sich mitden MR-Effekten befassen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchungdes GMR-Effektes. CMR- und GMI-Effekt sind nicht so stark vertreten gemes-sen an der Anzahl der Beiträge zu internationalen Konferenzen. Der TMR-Effekt wird sehr oft bezüglich Anwendungen mit dem GMR-Effekt verglichenund die entsprechenden Aktivitäten sind nicht immer von denjenigen im Be-reich GMR zu trennen.

0

2

4

6

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14

AnzahlFirmen

USAJapanEU ohne DDeutschland

Abbildung 12: Anzahl der Firmen (meist große Unternehmen), die Beiträgezum Forschungsthema Magnetoelektronik bei den internationalen Magnetis-mus-Konferenzen MMM (1995 und 1996) und Intermag (1996 und 1997) ge-liefert haben.

Hinweis für das Industrieinteresse am Thema Magnetoelektronik gibt das Enga-gement von Firmen auf den für diesen Bereich einschlägigen internationalenKonferenzen. Dieses sind die „Magnetism and Magnetic Materials (MMM)“und die „Intermag“. Während die MMM eher grundlagenorientiert ist, stellt dieIntermag ein Forum dar, auf dem Neu- und Weiterentwicklungen in RichtungAnwendung präsentiert werden. Abbildung 12 zeigt die Anzahl der Firmen,welche Beiträge zu diesen Konferenzen geliefert haben. Die Anzahl der ameri-kanischen Firmen mag dabei überrepräsentativ erscheinen, da die ausgewertetenKonferenzen alle in USA stattfanden. Danach betreiben folgende Firmen an-wendungsorientierte Grundlagenforschung im Bereich der Magnetoelektronik:

USA: AT&T Bell Labs, Headway Tech., Hewlett Packard, Honeywell, IBM,Kodak, Motorola, Nonvolatile Electron., Quantum Corp., Seagate und weitere.

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Japan: Alps Electric, Fujitsu, Hitachi, Matsushita, Sanyo, Sony, Toshiba undweitere

Europa: Bosch, DMITEC, IMEC, Philips, Siemens, Thompson

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4.6 Ergebnisse der Patentrecherche

Der zeitliche Verlauf der Patent- und Publikationsintensität zeigt, daß sich derBereich XMR seit Beginn der 90er Jahre mit hohen und zunehmenden Steige-rungsraten entwickelt (Abbildung 13).

Typischerweise wird bei einer aus neuentdeckten Grundlagen aufkommendenTechnologie ein relativ zur Zunahme der Publikationsaktivitäten zeitverzögerterAnstieg der Patentanmeldungen erwartet [78]. Diese Zeitverzögerung ist im Be-reich der XMR-Technologien nahezu verschwindend. Das zeigt an, daßsogleich mit Entdeckung der neuen Magnetowiderstandseffekte im Bereich derGrundlagen Überlegungen zur technischen Nutzung einsetzten, welche sehrbald in erfolgreiche Patentanmeldungen mündeten. Das belegt, daß die Magne-

XMR Patente (ohne AMR-Effekt)

Patente und Publikationen, Zeitliche Entwicklung

Quelle: Datenbanken WPINDEX und INSPEC, Stand Juli 1997

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1989

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1992

1993

1994

1995

1996

XMR Publikationen(ohne AMR-Effekt)

MRAM

CMR

GMR

MRAM

XMR

Jahr Jahr

Anza

hl

Anza

hl

Abbildung 13: Die zeitliche Entwicklung der Patent- und Publikationsaktivitä-ten zeigt die Dynamik der Entwicklung im Bereich der XMR-Technologien.Die Tatsache, daß die zeitliche Verzögerung zwischen der Patent- und Publi-kationsentwicklung sehr gering ist, spricht dafür, daß die MR-Effekte von ho-hem wissenschaftlichen und gleichzeitig hohem technischen Anwendungsin-teresse sind. Der seit langem bekannte AMR-Effekt ist hier ausgeklammert.Dort sind seit 1976 zehn Patente in WPINDEX registriert, wobei keine signifi-kante Beschleunigung der Entwicklung zu verzeichnen ist.

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towiderstandseffekte von hohem wissenschaftlichen Grundlageninteresse undgleichzeitig von hohem technischen Anwendungspotential sind.Abbildung 15 zeigt, daß die Patente weit überwiegend aus dem Bereich der In-

dustrie stammen. Eine solche Verteilung der Patente auf Industrie und staatlicheForschungseinrichtungen ist normal und ist im Wettbewerbsdruck der Unter-nehmen begründet. Im hier betrachteten Fall der neuen XMR-Technologien

USA 36

Japan 18

Europa 11Niederlande 1

Großbritannien 1Deutschland 7Frankreich 2

XMR Patente (ohne AMR-Effekt)

MRAM Patente (mit Hall-Effekt MRAM)

USA 11

Spintransistor Patente

USA 3 Japan 1

Niederlande 1

AMR Patente

Japan 5

USA 2

DDR 1

Patente Länderverteilung

Quelle: Datenbank WPINDEX, Stand Juli 1997

Abbildung 14: Herkunft der Patente nach Ländern. Deutschland ist im BereichSensorik mit sieben Patenten vertreten. Die Bereiche der Magnetoelektronik(MRAMs und Spintransistoren) sind separat aufgeschlüsselt. Die noch weni-gen Patente in diesem Bereich stammen fast alle aus den USA. Die Patentefür AMR-Sensoren werden aufgrund der langen Bekanntheit des Effektes ge-trennt betrachtet. Die Patente im Bereich AMR erstrecken sich über einen Zeit-raum von 1976 bis 1995, ohne daß ein signifikanter Anstieg in der Entwicklungzu verzeichnen ist. Das Patent aus der DDR stammt aus dem Jahr 1985 [79].

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kann daraus die Aussage abgeleitet werden, daß eben Patentanmeldungen indiesem Bereich dem Streben nach Wettbewerbsvorteilen entsprechen und somitwird bestätigt, daß wirtschaftliche Vorteile mit einer rechtzeitigen Nutzung die-ser Technologien verbunden sind.

Die Verteilung der Patente nach Herkunftsländern zeigt, daß Deutschland reinquantitativ nach den USA und Japan an dritter Stelle liegt. Deutlich wird ebensodie führende Rolle der USA. Dort wurden insbesondere die Ideen zu magneti-schen Schreib-Lese-Speichern (MRAMs) frühzeitig in Patente umgesetzt.

Industrie 48Hochschulen 4

FuE-Institute 6

XMR Patente (ohne AMR-Effekt)

MRAM Patente (mit Hall-Effekt MRAM)

Industrie 5

Spintransistor Patente

AMR Patente

Patente Herkunft FuE-Bereich

Sonstige 4

Industrie 2

Industrie 10

FuE-Institute 3

Sonstige 4

Sonstige 2

Quelle: Datenbank WPINDEX, Stand Juli 1997

Abbildung 15 zeigt, wie sich die Herkunft der Patente auf Industrie und staatli-che Forschungseinrichtungen verteilt (‘Sonstige’ sind meist Patente, welche aufeinzelne Personen ausgestellt sind).

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4.7 Ergebnisse der Expertenbefragung

Eine Bewertung für den Bereich XMR-Technologien, differenziert nach Unter-themen, zeigt Abbildung 16. Diese Bewertung faßt die Einschätzung von ca. 30Experten zusammen, welche mündlich und schriftlich befragt wurden. Aus einersolchen Einschätzung können naturgemäß nur grobe Anhaltspunkte für die tat-sächlich zu erwartende zukünftige Entwicklung der XMR-Technologien ge-wonnen werden. Immerhin sind sich die Experten tendenziell einig, was die re-lative Gewichtung der einzelnen Unterthemen betrifft. So wird beispielsweisedas wissenschaftliche Interesse und das langfristige Marktpotential der auf demAMR-Effekt basierenden Anwendungen übereinstimmend als deutlich niedrigerbewertet als das des GMR-Effektes in Schichtsystemen und des TMR-Effektes.Da Spintransistoren und MRAMs schon aus den GMR- bzw- TMR-Elementenzusammengesetzte Elektronikbausteine sind, wird das wissenschaftliche Inte-resse daran etwas niedriger bewertet als an GMR- bzw. TMR-Grundsystemenselbst.

Das wissenschaftliche Interesse am GMR-Effekt in granularen Systemen istdeutlich geringer als dasjenige an GMR-Schichtsystemen. Der Grund ist, daßletztere wohldefinierte, für Grundlagenuntersuchungen sowie für technischeOptimierung einfacheren Systeme darstellen. Auffallend bei der Bewertung desGMR in granularen Systemen ist die Uneinigkeit der Experten in der Einschät-zung seiner technischen Nutzbarkeit. Einige schätzen die Tatsache, daß mangegenwärtig hohe Schaltfelder für diese granularen GMR-Systeme benötigt, alsunüberwindbaren prinzipiellen Nachteil ein. Andere halten das Problem für je-denfalls deutlich minderbar und betonen die höhere Robustheit, bessere Kennli-nieneigenschaft und die Möglichkeit der kostengünstigen Herstellung als Vor-teile zukünftiger Sensoren auf Basis granularer GMR-Systeme.

Die fehlende Einschätzung des zukünftigen Marktpotentials von CMR-Systemen resultiert daraus, daß gegenwärtig eine Lösung der schwerwiegendenNachteile des CMR (hohe Schaltfelder, enger Temperaturbereich) offen ist.Lassen sie sich lösen, so wird dem CMR ein zumindest mittleres Marktpotentialzugetraut. Lassen sie sich nicht lösen, so wird es allenfalls zu Nischenanwen-dungen des CMR kommen.

Auffallend ist, daß der GMI-Effekt sich einer vollständigen Bewertung gegen-wärtig entzieht. Dies spiegelt auch den Grad der Unbekanntheit dieses Effekteswider.

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4.8 Generelle Bewertung (Problemlösungsbeiträge, Technikfolgen)

Eine generelle Einschätzung des gesamten Gebietes – unterteilt nach denHauptanwendungslinien MR-Sensorik bzw. Magnetoelektronik – enthältAbbildung 17. Das Wirkungspotential neuer technischer Lösungen auf Basisder XMR-Technologien wird mit nichttechnischen, d. h. ökonomischen, gesell-schaftlichen und ordnungspolitischen Aspekten in Bezug gesetzt. Dabei spieltvor allem eine Rolle, welche generellen Problemlösungsbeiträge zu erwarten

VDI TECHNOLOGIEZENTRUMZukünftige Technologien

0: nicht vorhanden,1: niedrig,...,6: hoch, x = laut Experten derzeit keine Bewertung möglich

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XMR-TechnologienAMR 2 2 5 3 3 1GMR in Schichtsystemen 6 5 3 1 3 5GMR in granularen Systemen 3 3,5 2 0 1 2,5 große Streuung der Expertenmeinungen

CMR 5 3 1 0 x x GMI 2 x 1 0 x xTMR 5 5 1 0 1 5Spintransistor 4 4 1 0 1 4MRAM 4 5 2 0 1 6

Warnung: Tabelle kann nur in Kombination mit den Erläuterungen im Text sinnvoll verwendet werden!

� VDI-Technologiezentrum

Abbildung 16: Expertenbewertung der einzelnen Bereiche aus dem Themen-feld XMR-Technologien. Zumindest im relativen Vergleich der Felder ergibt dieAuswertung der Expertenantworten ein tendentiell einheitliches Ergebnis unddaher nach dem gegenwärtigen Wissensstand eine abgesicherte Einschät-zung. Allein im Bereich der granularen GMR-Systeme ergeben die Experten-einschätzungen ein uneinheitliches Bild.

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VDI-TechnologiezentrumZukünftige Technologien

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sind und welche Entwicklungshemmnisse vorliegen. Die Bewertungsperspekti-ve umfaßt auch eine erste Einschätzung von Technikfolgen.

Bei allen systematischen Schwierigkeiten und der daraus folgenden Vorsichtgegenüber derartigen Bewertungen ist es dennoch möglich, gewisse Entwick-lungstendenzen auf Basis des gegenwärtig verfügbaren Kenntnisstandes gegen-über anderen als wahrscheinlich auszuzeichnen. Diese Wahrscheinlichkeit wirdvon „niedrig“ bis „hoch“ auf einer relativen Skala von 1 bis 6 bewertet (sieheLegende Abbildung 17). Da Forschung natürlich auch Teil der Gesellschaft ist,ist es ein berechtigtes Anliegen, die Bezüge einer naturwissenschaftlich-technischen Entwicklung wenigstens in dieser Form aufzuzeigen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Bewertungsmatrix in Abbildung 17 nur inKombination mit den Erläuterungen in der Technologieanalyse verstanden wer-den kann. Die dortigen Bewertungen sind auf Basis der in Kapitel 4.6 vorge-stellten Expertenbefragung und der Literaturauswertung vorgenommen worden.

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XMR-Technologien VDI TECHNOLOGIEZENTRUM Zukünftige Technologien

Bedeutung1: niedrig 6: hoch

Problemlösungsbeitrag (Bedeutung)

Problemlösungsbeitrag (Zeitperspektive) Verflechtungsgrad Entwicklungshemmnisse D D im int.

Vergleich Erwartete Technikfolgen Info-Defizite bei Einschätzung Marktrelevanz

Zeitperspektive:k: kurzfristigm: mittelfristigl: langfristigv: visionär

Int. Stellung:� führend� gleich� aufholbar� abgeschlagen G

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Abbildung 17: Generelle Bewertung der beiden Hauptanwendungslinien der XMR-Technologien MR-Sensorik und Magne-toelektronik. Die einzelnen Angaben repräsentieren eine Einschätzung, welche eine Gesamtschau des betrachteten Tech-nologiefeldes auf Basis der Expertenmeinungen sowie der Literaturauswertung erlaubt. Zumindest im Vergleich der FelderMR-Sensorik und Magnetoelektronik ergibt die Auswertung der Quellen ein tendentiell einheitliches Ergebnis.

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Die Problemlösungsbeiträge der MR-Sensorik liegen im wesentlichen im Be-reitstellen besserer und zusätzlicher Informationen über technische Vorgänge(Bereich Kommunikation) und in dem damit erreichbaren Gewinn in der Pro-zeßsteuerung, der positive Wirkungen in den Bereichen Verkehr, Energie undUmwelt erwarten läßt. Da dies für in Deutschland wichtige Wirtschaftsfeldervon Bedeutung ist, sind positive Auswirkungen auf den Arbeitsmarkt habenwahrscheinlich (Bereich Arbeit und Soziales).

Da von den XMR-Technologien verbesserte Verfahren in der medizinischenDiagnostik zu erwarten sind, bedeutet dies auch dort einen Problemlösungsbei-trag.

Die Magnetoelektronik ist stärker auf den Bereich Informationstechnik konzent-riert, weshalb die Breitenwirkung in den anderen Feldern geringer gewichtet ist.Da die Magnetoelektronik sozusagen eine höhere Aggregatstufe der MR-Sensorelemente darstellt, wird generell erwartet, daß die MR-Sensorik früherverwertet wird als die Magnetoelektronik.

Der Verflechtungsgrad der physikalischen Technologie XMR ist aufgrund derHerstellungsverfahren der Proben und Schichten bezüglich der Bereiche Mate-rialforschung und Chemie hoch. Wegen der Integration in Anwendungen in denBereichen Informationstechnik und Maschinenbau wird auch dort ein hoherGrad der Verflechtung erreicht. Da die verwendeten Materialsorten bei GMR-und TMR-Sytemen auch im Bereich Magnetooptik von Interesse sind, wird imBereich Optik ein mittlerer Verflechtungsgrad angenommen.

Die Entwicklungshemmnisse liegen außer im Bereich der technischen Ent-wicklung teilweise im Bereich Patente, weil durchaus wichtige Grundpatentenach USA und Japan vergeben sind und daher die Patentlage beachtet werdenmuß (vgl. Kapitel 4.6). Allerdings werden auch wichtige Patente von Autorenaus Deutschland gehalten, welche eine Umsetzung in Deutschland begünstigen(z. B. das erste Patent für GMR-Anwendungen [74]). Die MR-Sensorik hat imBereich Aus- und Weiterbildung deshalb Hemmnisse, weil dieses Thema imRahmen der Anwenderausbildung (z. B. im Maschinenbaustudium) nicht vor-kommt. Außerdem sind aufgrund der Neuheit des Themenfeldes kaum Daten-blätter für MR-Sensoren verfügbar, welche die für den Konstrukteur notwendi-gen Spezifikationen enthalten.

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Da insbesondere eine Markteinführung der MRAMs die Bereitschaft eines (odermehrerer) großen Unternehmens voraussetzen dürfte, als Technologieführer diehohen Markteintrittskosten in einem von der Halbleitertechnologie dominiertenTechnikfeld zu erbringen, werden die finanziellen Entwicklungshemmnisse indiesem Bereich recht hoch bewertet.

Im internationalen Vergleich des F&E-Standes im Bereich XMR-Technologien ist die USA auch wegen des dort starken Informations- undKommunikationssektors weltweit führend. Japan bekleidet eine Position etwazwischen den USA und Europa. Im europäischen Vergleich ist Deutschland et-wa gleich auf, vielleicht sogar führend (nach an der Anzahl der Patente, sieheKapitel 4.6).

Im Feld Technikfolgen werden zukünftig mögliche Folgen differenziert nachverschiedenen Bereichen betrachtet. Das gegenwärtige Frühstadium der be-trachteten XMR-Technologien erlaubt weder eine Aussage über tatsächlich sichabzeichnende Folgen noch darüber, ob diese Folgen erwünscht sind oder nicht.Es wird lediglich auf mögliche Einflüsse in bestimmten Bereichen hingewiesen.Dabei werden die technischen Auswirkungen der XMR-Technologien als hochbewertet, weil erweiterte Möglichkeiten der Sensorik zu neuartigen Designprin-zipien in Maschinen- und Fahrzeugbau, neuartiger Auslegung von Pro-zeßschritten sowie zu anderen Sicherheitsauslegungen führen können. Falls sichMRAMs und Spintransistoren als technisch überlegen erweisen sollten, wird dieMagnettechnologie in einen neuen Bereich vordringen, welches erheblicheImplikationen für die bisher mit Halbleitertechnologie befaßten Unternehmenhaben wird.

Die wissenschaftlichen Folgen, werden deshalb hoch eingeschätzt, weil auf-grund der Grundlagennähe der MR-Effekte in Verbindung mit ihrem techni-schen Potential sich in diesem Feld eine intensive F&E-Kooperationen vonFirmen und Forschungsinstituten ergeben und entsprechende finanzielle Mittelverstärkt in diesen Bereich fließen könnten. Die ökonomischen Folgen werdendeshalb als hoch eingeschätzt, da in Deutschland wichtige Wirtschaftszweigevon der erwarteten Entwicklung der XMR-Technologien betroffen sein werden.Die ökologischen Folgewirkungen werden als mittel eingeschätzt, da von ver-besserter Sensorik und Informationstechnik auch neue Möglichkeiten der Kon-trolle und Steuerung umweltrelevanter Prozesse erwartet werden können. Sozi-ale, politische und rechtliche Technikfolgen, welche in direktem Zusammen-hang mit einer Entwicklung der XMR-Technologien stehen, sind gegenwärtignicht erkennbar.

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Da die XMR-Technologien auf erst kürzlich entdeckten neuen, aber wenig öf-fentlichkeitswirksamen physikalischen Grundeffekten aufbauen, ist das Infor-mationsdefizit außer im Bereich der Wissenschaft überall recht hoch.

Im Feld Marktrelevanz ist im wesentlichen das in Kapitel 4.7 gesagte zusam-mengefaßt. Die Akzeptanz der XMR-Technologien wird als hoch bewertet, weilMR-Sensorik und Magnetoelektronik als Querschnittstechnologien zu techni-schen Lösungen führen werden, die in innovativen Produkten verborgen sind.Deren verbesserte oder neuartige Funktionen lassen nicht erwarten, daß überdas generell vorhandene Maß hinausgehende neuartige Mißbrauchsmöglich-keiten entstehen, welche eine Akzeptanz der XMR-Technologien beeinträchti-gen könnten.

4.9 Förderaktivitäten

Die stärksten Förderaktivitäten sind in den USA im Bereich Information undKommunikation zu verzeichnen. Dort wird vom Department of Defense dieForschung und Entwicklung im Bereich Speichermagneten und MR-Systemenals Grundlagen für Leseköpfe gefördert. Vor kurzem wurde eine MRAM-Initiative gestartet, im Rahmen derer verstärkt der TMR-Effekt hinsichtlich derNutzung in Speicherelemnten untersucht wird.

In Japan sind erhebliche Fördermittel für Bereiche der Nanotechnologie vorge-sehen, im dessen auch Themen wie Mikromagnetismus und Rasternahfeldcha-rakterisierungsverfahren sowie dünne Schichten gefördert werden, welche indi-rekt für die XMR-TEchnologien einschlägig sind. Direkt z. B. unter dem TitelMagnetoelektronik wird dieser Bereich nicht gefördert. Es ist aber sehr wahr-scheinlich, das im Rahmen bestehender Programme Fördermittel in den XMR-Bereich fließen.

Im Rahmen der BMBF-Projektförderung wird im Bereich der Mikrosystem-technik die AMR-Sensorik unter Anwendungsaspekten gefördert (Programm„Femto“ beim Projekträger VDI/VDE-IT, Teltow). Das Gebiet XMR (außerAMR) wird im Bereich der Physikalischen Technologien (Programm „Elektro-nische Korrelationen und Magnetismus“ beim Projektträger VDI-Technologiezentrum, Düsseldorf) gefördert.

Die Europäische Union fördert mit einigen Projekten des 4. Rahmenprogrammesden Bereich Magnetoelektronik und -sensorik (in „Esprit 4“ mit den Projekten

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SPIDER und (NM)2, in dem Programm „Training on Mobility and Research“die Projekte OXSEN, „Interface Magnetism“ und „Submicron magnetic devi-ces“.).

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6 Anhang

Teilnehmer des Expertengesprächs Magnetismus am 30.7.1996 in Düsseldorf,VDI-Haus

Prof. Dr. P. GrünbergFZ Jülich GmbHInstitut für FestkörperforschungAbt. MagnetismusPostfach 19 1352425 Jülich

Dr. G. Herzer.Vacuumschmelze GmbHGrüner Weg 3763450 Hanau

Prof. Dr. A. HubertUniversität ErlangenInstitut für WerkstoffwissenschaftenMartensstr. 791058 Erlangen

Prof. Dr. H. KronmüllerMax-Planck-Institut für Metallfor-schungInstitut für PhysikHeisenbergstr. 170569 Stuttgart

Dr. C. KuhrtSiemens AGMR 1Postfach 322091050 Erlangen

Prof. Dr. K. SamwerUniversität AugsburgInstitut für PhysikMemminger Str. 686159 Augsburg

Prof. Dr. J. SchoenesTechn. Univers. BraunschweigInstitut f. Halbleiterphysik und Op-tikMendelssohnstr. 338106 Braunschweig

Prof. Dr. L. SchultzInstitut für Festkörper- undWerkstofforschung Dresden e.V.Postfach01171 Dresden

Prof. Dr. E. F. WassermannUniversität-GH-DuisburgLaboratorium für Tieftemperatur-physik FB 10Lotharplatz 147048 Duisburg

Dr. H. EickenbuschundDr. S. MengelVDI-TechnologiezentrumGraf-Recke-Straße 8440239 Düsseldorf