Zwischen Memphis und Theben: Die Gräber politischer Drahtzieher

Neue Materialien mit hoher Spinpolarisation
Von Claudia Felser
Immer höhere Speicherdichten sind auf Speichermedien
zur Verarbeitung der wachsenden Datenflut notwendig.
Ganz neue Konzepte wie die Spintronik 1 versuchen
diesen Anforderungen gerecht zu werden. Im
Mittelpunkt dieser neuen Elektronik steht nicht die
Ladung der Elektronen wie bei der Siliziumtechnologie,
sondern der Spin, die Eigenrotation von Elektronen.
Gesuch werden daher Materialien mit hoher
Spinpolarisation. Optimal geeignet wären Materialien,
in denen nur Elektronen einer Spinrichtung am
Stromtransport beteiligt sind. Solche Materialien mit
100-prozentiger Spinpolarisation werden als halbmetallische
Ferromagneten bezeichnet. Bis heute ist
CrO 2 das einzige Material, das eine hohe Spinpolarisation
bei Raumtemperatur zeigt 2 .
Dabei wurde aufgrund der besonderen elektronischen
Struktur der Heusler-Verbindung NiMnSb
bereits 1983 von de Groot 3 der Begriff halbmetallischer
Ferromagnet geprägt. Die Richtigkeit der
Begriffsbildung wurde aber bis heute experimentell
noch nicht eindeutig belegt 4 . Die von Heusler entdeckten
Verbindungen sind Legierungen aus unmagnetischen
Metallen, die als Verbindung bis zu einer
Temperatur von über 1200°C ferromagnetisch sein
können. Insgesamt gibt es über 500 Heusler-Verbindungen,
allerdings nur etwa 30, die oberhalb der
Raumtemperatur ferromagnetisch sind.
Die Suche nach neuen magnetischen Materialien
für die Spintronik steht seit einiger Zeit im Mittelpunkt
der Arbeit der an dieser Forschergruppe beteiligten
Festkörperchemiker. Dabei gehen Berechnungen
der elektronischen Struktur der Synthese voraus.
Die systematische Untersuchung der elektronischen
Struktur bekannter Verbindungen mit diesen außergewöhnlichen
Eigenschaften hat zur Entwicklung
eines einfachen Modells für Riesenmagnetwiderstände
geführt. Mit Hilfe dieses Modells 5 werden nun
Kandidaten identifiziert und synthetisiert sowie
deren elektronische und magnetische
Eigenschaften untersucht. Ein
erster Erfolg war die Vorhersage
und anschließende experimentelle
Verifizierung eines Magnetwiderstandes
in GdI 2 6 mit einem Wert von
350 Prozent bei Raumtemperatur
bezogen auf den Sättigungswert in
großen Magnetfeldern und immerhin
noch 60 Prozent bei 1 Tesla (siehe
Abb. 1). Das bedeutet, dass der
elektrische Widerstand dieser Verbindung
bei Raumtemperatur in
einem Magnetfeld von 7 Tesla um
den Faktor 3 kleiner ist als ohne
Magnetfeld. Allerdings ist GdI 2 eine
Verbindung, die an der Luft nicht stabil ist. Außerdem
tritt der Magnetwiderstand nur bei hohen Magnetfeldern
auf.
Technologisch interessant war aber erst die Entdeckung
eines hohen Magnetwiderstands in gepressten
Granulaten aus dotiertem Co 2 CrAl 7-9 . Diese Verbindung
weist einen Magnetwiderstands-Effekt von
65 Prozent bei 0.1 Tesla auf. Als Kompositmaterial
mit Al 2 O 3 -Pulver gemischt erhält man sogar einen
Wert von 125 Prozent bei 0.1 Tesla und Raumtemperatur
(siehe Abb. 2). Diese Ergebnisse konnten durch
Coey et al. 10 bestätigt werden. Vor kurzem hat eine
japanische Konkurrenzgruppe ein Tunnelmagnetwiderstandselement
mit einseitigem Kontakt aus der
Heusler-Verbindung Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al vorgestellt, welches
bei Raumtemperatur einen Magnetwiderstands-Effekt
von 16 Prozent zeigte 11 . Dies entspricht
zwar noch nicht einer Spinpolarisation von 100 Prozent,
war aber die erste Funktionseinheit mit einer
Heusler-Elektrode und mit einem bemerkenswerten
Magnetwiderstands-Effekt bei Raumtemperatur. In
der Arbeitsgruppe Felser werden im Rahmen der Forschergruppe
neue Heusler-Verbindungen, ausgewählt
durch Bandstrukturuntersuchungen, nach den
Kriterien unseres chemischen Modells präpariert und
im Hinblick auf die Eigenschaften Spinpolarisation,
Magnetwiderstand und hohe Curie-Temperatur optimiert.
In einem iterativen Prozess soll dabei das chemische
Modell nach den neuesten physikalischen
Erkenntnissen ständig verbessert werden. Verbindungen
mit einem Halbleiter-Metall-Übergang bei der
Curie-Temperatur zeichnen sich durch vollständige
Spinpolarisation aus. Gesucht werden daher auch
Heusler-Verbindungen, die einen solchen Übergang
aufweisen. Kombinierte Hochtemperatur-Magnetwiderstands-
und Strukturuntersuchungen ermöglichen
die Einsicht in Struktur–Eigenschaftsbeziehungen
dieser komplexen Verbindungsklasse.
FORSCHUNGSMAGAZIN ■ 2004
MAGNETISMUS......
Die Suche nach neuen
Materialien, die noch höhere
Speicherkapazitäten auf noch
kleinerem Raum bieten, läuft
auf Hochtouren. Daran
beteiligt sind Wissenschaftler
aus Mainz und Kaiserslautern,
die nun als neue Forschergruppe
von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG)
unterstützt werden.
Abb. 1: Widerstandsverhalten von
GdI2 als Funktion der Temperatur für
verschiedene Felder.
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