Magnetoresistiver Effekt

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[Bearbeiten] Definition

Als magnetoresistive Effekte bezeichnet man alle Effekte, die die Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beschreiben. Dazu gehören insbesondere der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt), der "gigantische" magnetoresistive Effekt (GMR-Effekt), der CMR-Effekt, der TMR-Effekt sowie der planare Hall-Effekt.

Im weiteren wird unterschieden zwischen magnetoresistiven Effekten in: (i) nicht-magnetischen Materialien (Hall-Effekt), (ii) in magnetischen Materialien (z.B. AMR-Effekt) und (iii) in hybriden Bauteilen aus nicht-magnetischen und magnetischen Materialien (z.B. GMR-, EMR-Effekt).

[Bearbeiten] Erklärung

Das magnetische Verhalten von Festkörpern wird durch die Art und Stärke der Elementarmagnete und ihrer Wechselwirkung untereinander, d.h. durch kooperative Effekte sowie das damit verbundene Verhalten der bewegten Ladungen im Festkörper geprägt.

Zur Beschreibung der Stärke des jeweiligen magnetoresistiven Effektes, bedient man sich des Quotienten aus Widerstandsänderung und Widerstand ohne äußerem Feld:

R(H): Widerstand in Abhängigkeit vom Magnetfeld, R(0): Widerstand ohne äußeres Feld, ΔR / R: Kenntwert des magnetoresistiven Effekts

Beim GMR, CMR, TMR wird aber auch häufig der Sättigungswert des Widerstandes als Basisgröße in der Normierung genommen.

Magnetowiderstandseffekte ändern den Widerstand von magnetischen bzw. nichtmagnetischen Materialien und können sowohl positiv als auch negativ sein, je nachdem ob der Widerstand im Magnetfeld zu oder abnimmt.

[Bearbeiten] Magnetoresistive Effekte in nicht-magnetischen Materialien

Der planare Hall-Effekt beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte Ladungen im Magnetfeld wirkt (Nutzung bspw. Feldplatte). Dieser magnetoresistive Effekt tritt bei allen leitfähigen Materialien auf und beruht darauf, dass es durch eine Ablenkung der Ladungsträger auf ihrer geradlinigen Bahn durch das äußere Magnetfeld zu einer Widerstandserhöhung kommt, da sich der Weg der Ladungen durch den Festkörper verlängert. Da für den elektrischen Widerstand in einem Material mit dem spezifischen Widerstand ρ dem Querschnitt A und der Länge l gilt:

vergrößert sich der Widerstand linear mit dem zurückgelegten Weg der Ladungen d.h. das äußere Magnetfeld führt durch die Wirkung der Lorentzkraft zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes. Dieser Effekt ist aber meist weit kleiner als 1 % bei angelegten Feldern in der Größenordnung 1 Tesla. Nichtmagnetische Materialien zeigen üblicherweise eine Widerstandszunahme (positiver Magnetowiderstand), die quadratisch mit dem angelegten Magnetfeld skaliert.

Ein weiteres Phänomen tritt an Halbleiter-Sperrschichten auf, siehe Magnetdiode.

[Bearbeiten] Magnetoresistive Effekte in ferromagnetischen Materialien und Hybridstrukturen

Dünne Lagen (im Nanometerbereich) ferromagnetischer Übergangsmetalle weisen einen AMR-, GMR-,CMR- oder TMR-Effekt von rund 3 % beim AMR, rund 50 % beim GMR (Raumtemperatur, Magnetfelder bis 2 T), rund 40% beim TMR bis zu noch größeren Effekten beim CMR (Colossal Magneto Resistance Effekt in Perowskiten, Änderung des Widerstandes um einen Faktor über 1000).

siehe hierzu im speziellen die Artikel AMR-Effekt und GMR-Effekt

Sie beruhen mit Ausnahme des TMR-Effektes darauf, dass ein äußeres Magnetfeld die Richtung der Magnetisierung in ferromagnetischen Materialien beeinflusst und der Winkel zwischen Magnetisierung und Stromrichtung Auswirkungen auf den elektrischen Widerstand hat. Beim TMR (Tunnel Magneto-Widerstandseffekt), der 1994 entdeckt wurde, beruht der Effekt auf spinabhängigen Tunnelströmen von ferromagnetischen Materialien, die durch Isolatorschichten getrennt sind.

[Bearbeiten] Geschichte

Der Einfluss eines von außen angelegten Magnetfeldes auf das elektrische Verhalten eines Festkörpers (z.B. seinen elektrischen Widerstand) variiert sehr stark, je nachdem welcher der oben benannten Effekte wirkt. Obwohl magnetoresistive Effekte (insb. der AMR-Effekt) bereits Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt waren (Entdeckung des AMR-Effektes 1857 durch William Thomson (1.Baron Kelvin)), wurde eine technische Nutzung erst gegen Ende der Sechziger Jahren möglich bspw. im Bereich der Sensorik (AMR-Sensor) erst zu Beginn der achtziger Jahre.

Vergleich von MR-Effektgrößen der unterschiedlichen Wirkungsmechanismen.

AMR:

TMR:

GMR:

[Bearbeiten] Weblinks

• Zu magnetoresistiven Effekten in der Sensorik, Uni Giessen, pdf Datei

[Bearbeiten] Siehe auch

• Magnetoelektronik