Doktorarbeit_Mairoser.pdf - OPUS - Universität Augsburg

1. Einleitung
Mittlerweile wird bei den Leseköpfen für Festplatten der TMR-Effekt eingesetzt [3].
Das Verhältnis der Widerstandsänderungen für die parallele bzw. antiparallele Ausrichtung
der im einfachsten Fall identischen magnetischen Schichten wird durch das
TMR-Verhältnis
TMR =
(1.1)
1 − Pt
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beschrieben. Die Tunnelpolarisation P t ergibt sich aus den Zustandsdichten g ↑ bzw.
g ↓ des Leitungsbands an der Fermi-Kante für die Spinrichtung parallel zur Magnetisierung
(↑) bzw. senkrecht dazu (↓) zu [5]
2P 2 t
P t = g ↑ − g ↓
g ↑ + g ↓
. (1.2)
Man erkennt, dass die Tunnelpolarisation und somit auch das TMR-Verhältnis mit
steigenden Differenzen der Zustandsdichten an der Fermi-Kante zunehmen. Im Idealfall
beträgt eine der beiden Zustandsdichten null, sodass sich eine Tunnelpolarisation
von ±1 und damit ein unendlich großer TMR-Effekt ergibt.
In aktuellen Festplattenleseköpfen bestehen die magnetischen Schichten aus Multilagen
von Legierungen, welche die ferromagnetischen Übergangsmetalle Fe, Co und Ni
enthalten. Der Magnetismus dieser Elemente rührt aus einer unterschiedlichen Besetzung
der d-Bänder für die verschiedenen Spinrichtungen. Allerdings besitzen sie bei
der Fermi-Energie jeweils für beide Spinrichtungen eine endliche Zustandsdichte [3].
Dies resultiert in einer theoretischen Begrenzung der Tunnelpolarisation von deutlich
weniger als 100 %, was auch das TMR-Verhältnis begrenzt. In realen Anwendungen
wird die Tunnelpolarisation immer geringer sein als die maximal durch die Bandstruktur
der verwendeten Materialien vorgegebenen Werte. Hier spielen beispielsweise das
Filmwachstum und Grenzflächeneffekte bei den verwendeten Heterostrukturen eine
Rolle.
Ein Weg zur Deckung des immer weiter steigenden Speicherbedarfs liegt in der Erhöhung
der Speicherdichten. Dies wird durch die Verkleinerung der magnetischen Domänen
erreicht, in denen die Informationen gespeichert werden. Durch diese kleineren
Bits ergeben sich aber auch Auswirkungen auf die Auslesung mittels TMR-Effekt.
Die kleineren Domänen besitzen ein kleineres Magnetfeld zur Ausrichtung der freien
ferromagnetischen Schicht des Lesekopfes, sodass auch dieser verkleinert werden muss.
Die Skalierung erzeugt ein geringeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Um dieses aber zur
Auslesung in einem ausreichenden Maß beibehalten zu können, stehen zwei Wege zur
Verfügung. So können Materialien mit einer größeren Tunnelpolarisation verwendet
werden sowie das Wachstum der Schichten der Dünnfilmleseköpfe bzw. deren Aufbau
optimiert werden. Für den erstgenannten Weg wird idealerweise ein Halbmetall
verwendet, das nur für eine Spinrichtung eine Zustandsdichte an der Fermi-Kante
besitzt. Hier kommen z. B. Heusler-Legierungen, verdünnte magnetische Halbleiter,
Übergangsmetalloxide oder Europium-Chalkogenide in Betracht. Neben Verbesserungen
im Aufbau des Lesekopfes müssen auch die magnetischen Materialien zur Spei-
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