12.11.2012
Magnetische Tunnelstrukturen kommen bereits heute in verschiedenen Bereichen der Informationstechnologie zur Anwendung. So dienen sie zum Beispiel als magnetische Speicherzellen in nichtflüchtigen magnetischen Speicherchips (MRAM , magnetic random access memory) oder als hochempfindliche magnetische Sensoren zum Auslesen der auf Festplatten gespeicherten Daten. In einem laufenden Projekt werden an der PTB nun die thermoelektrischen Eigenschaften solcher Strukturen untersucht.
Magnetische Tunnelstrukturen bestehen aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht, die sogenannte Tunnelbarriere, voneinander getrennt sind. Die magnetische Orientierung der beiden Schichten in der Tunnelstruktur hat dabei einen großen Einfluss auf ihre elektrischen Eigenschaften: sind die magnetischen Momente der beiden Schichten parallel ausgerichtet, ist der Widerstand niedrig, sind sie antiparallel, ist er hoch. Die Widerstandsänderung beim Umschalten der Magnetisierung kann dabei deutlich über 100 % betragen. So ermöglicht das Schalten der Magnetisierung eine effiziente Kontrolle des elektrischen Stroms durch die magnetische Tunnelstruktur.
In den aktuellen Arbeiten wurde im Experiment eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden durch die Tunnelbarriere getrennten magnetischen Schichten erzeugt, und der durch die Temperaturdifferenz erzeugte elektrische Strom, der sogenannte thermoelektrische Strom gemessen. Dabei zeigte sich, dass dieser thermoelektrische Strom, wie auch der Widerstand, stark von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung der Schichten abhängt. Allerdings zeigt sich die genau umgekehrte Abhängigkeit: bei paralleler Ausrichtung ist der thermoelektrische Strom hoch, bei antiparalleler niedrig. Dieser Magneto-Tunneleffekt des thermoelektrischen Stroms wurde in dem untersuchten Materialsystem erstmals nachgewiesen.
Die Erzeugung elektrischer Spannungen und Ströme aus einer Temperaturdifferenz könnte zukünftig z. B. für die Nutzung und gezielte Energieumwandlung von Abwärme in integrierten Schaltkreisen zur Anwendung kommen.
Bild: Eine magnetische Tunnelstruktur besteht aus zwei magnetischen Schichten (rot, blau), die durch eine nur etwa einen Nanometer dünne Isolationsschicht (grau), die sogenannte Tunnelbarriere, getrennt sind. Erzeugt man eine Temperaturdifferenz ΔT über die Barriere, so kann ein thermoelektrischer Strom ITh zwischen der heißen (rot) und einer kalten (blau) Schicht erzeugt werden. Ändert man nun die magnetische Ausrichtung z.B. der heißen Schicht gegenüber der der kalten (Pfeile) führt das zu einer starken Änderung des gemessenen Stroms. Dieser neu entdeckte Effekt wird als Magneto-Tunneleffekt des thermoelektrischen Stroms bezeichnet.
Ansprechpartner: H. W. Schumacher
Fachbereich 2.5: Halbleiterphysik und Magnetismus