DE4310318C2 - Verwendung eines Materials mit perowskitähnlicher Kristallstruktur und erhöhtem magnetoresistiven Effekt sowie Verfahren zur Herstellung des Materials - Google Patents
Verwendung eines Materials mit perowskitähnlicher Kristallstruktur und erhöhtem magnetoresistiven Effekt sowie Verfahren zur Herstellung des MaterialsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines
Materials, das eine perowskitähnliche Kristallstruktur
besitzt und einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigt.
Ein derartiges Material geht z. B. aus "Physica B", Vol.
155, 1989, Seiten 362 bis 365 hervor. Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses
Materials.
Der allgemeine Aufbau und die Funktionsweise von magneto
resistiven Sensoren mit Dünnfilmen aus ferromagnetischen
Übergangsmetallen sind z. B. in der Veröffentlichung
"Sensors", Vol. 5, 1989, Seiten 341 bis 380 näher erläu
tert. Die dort offenbarten, weitgehend magnetostriktions
freien Schichten, die z. B. aus einer speziellen Ni-Fe-
Legierung (Permalloy) oder aus einer speziellen NiCo-
Legierung bestehen, zeigen jedoch nur einen verhältnis
mäßig geringen magnetoresistiven Effekt Mr von etwa 2 bis
3%. Dabei gilt: Mr = (R(O) - R(B))/R(O), wobei R(B) der
elektrische Widerstand im Magnetfeld mit der Induktion B
und R(O) der Widerstand bei fehlendem Magnetfeld sind.
Bisweilen wird der magnetoresistive Effekt auch folgender
maßen definiert:
Mr' = (R(O) - R(B))/R(B); d. h.: Mr = Mr'/(l + Mr').
Man ist an einer Erhöhung dieses magnetoresistiven Effek
tes interessiert, um so Sensoren mit verbessertem Signal-
Rausch-Verhältnis realisieren und den Einsatzbereich ent
sprechender Sensoren erweitern zu können. Eine Erhöhung
des magnetoresistiven Effektes konnte bei einigen Mehr
schichtsystemen wie z. B. Co/Cu, Co/Ru, Co/Cr oder Fe/Cr
nachgewiesen werden (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol.
58, No. 23, 10.6.1991, Seiten 2710 bis 2712 oder "Phys.
Rev. Lett.", Vol. 64, No. 19, 7.5.1990, Seiten 2304 bis
2307). Hierbei wird von der Tatsache ausgegangen, daß eine
nicht-magnetische Zwischenschicht zwischen Schichten aus
ferromagnetischem Material eine Austauschkopplung (Aus
tausch-Wechselwirkung) bewirken kann. Diese Kopplung hängt
von der Dicke der Zwischenschicht ab und bedingt Dicken im
Nanometerbereich. Die Austauschkopplung ist dabei für das
magnetische Verhalten ("ferromagnetisch" oder "antiferro
magnetisch") des Mehrschichtsystems verantwortlich.
Dementsprechend können Mehrschichtsysteme mit unterschied
licher Richtung der Polarisation der übereinanderliegenden
ferromagnetischen, durch nicht-magnetische Schichten ge
trennten Einzelschichten einen erhöhten magnetoresistiven
Effekt Mr zeigen. Dieser Effekt, der für geschichtete Cu-
Co-Dünnfilmstrukturen bei Raumtemperatur bis zu 40% be
tragen kann (vgl. die genannte Literaturstelle aus "Appl.
Phys. Lett." 58), wird deshalb auch als "Giant magneto
resistive effect" (GMR) bezeichnet (vgl. "Phys. Rev.
Lett.", Vol. 61, No. 21, 21.11.1988, Seiten 2472 bis
2475).
Die Beschränkung auf Multilagensysteme und die starke Ab
hängigkeit des Effektes von der sehr geringen Dicke der
magnetischen bzw. nicht-magnetischen Schichten im Nanome
ter-Bereich stellt jedoch hohe Anforderungen an die Prä
parationstechnik der Schichten und schränkt den Einsatz
bereich auf entsprechende Dünnschichtstrukturen ein.
Darüber hinaus sind Untersuchungen bekannt, nach denen ein
magnetoresistiver Effekt auch in beispielsweise granularen
Stoffsystemen auftreten kann (vgl. "Phys. Rev. Lett.",
Vcl. 68, No. 25, 1992, Seiten 3745 bis 3752). Gemäß dieser
sich auf das Stoffsystem Cu-Co erstreckenden Untersuchun
gen werden CuCo-Legierungsschichten durch simultanes Zer
stäuben der Elemente hergestellt und durch eine anschlie
ßende Wärmebehandlung nanokristalline (magnetische) Co-
Ausscheidungen in einer (nicht-magnetischen) Cu-Matrix er
zeugt. Der in diesen Dünnfilmen zu messende magnetoresi
stive Effekt Mr beträgt nach der genannten Literaturstel
le aus "Phys. Rev. Lett." 68 etwa 7% bei Raumtemperatur.
Zwar wurden wesentlich größere magnetoresistive Effekte
auch bei anderen ferromagnetischen Stoffsystemen beobach
tet. Dies trifft für Einkristalle des Stoffsystems
Eu1-xGdxSe zu (vgl. "Journ. Appl. Phys.", Vol. 38, No. 3,
1.3.1967, Seiten 959 bis 964). Ein entsprechender Effekt
zeigt sich auch in Nd0,5Pb0,5MnO3-Kristallen. Diese Kri
stalle haben eine perowskitähnliche Struktur (vgl. die
eingangs genannte Literaturstelle aus "Physica B" 155).
Die in diesen Stoffsystemen zu beobachtende Änderung des
elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der magne
tischen Induktion ist jedoch auf tiefe Temperaturen be
schränkt, die deutlich unter Raumtemperatur liegen.
Weitere Manganite mit perowskitähnlicher Kristallstruktur
sind beispielsweise aus "Phys. Rev.", Vol. 100, No. 2,
1955, Seiten 545 bis 563 oder dem Buch "Magnetic Oxides",
ed. D. J. Craik, Verlag J. Wiley & Sons, London 1955, Part
1, Seiten 477 bis 479 bekannt. Diese Manganite sind Ver
bindungen vom Typ La1-xMexMnO3 (La = Lanthan, Me = Ca,
Sr, Ba, Pb). Lediglich für die Pb-haltigen Manganite wurde
ein magnetoresistiver Effekt nahe der Curie-Temperatur er
wähnt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Material
für einen magnetoresistiven Sensor anzugeben, das
einen erhöhten magnetoresistiven Effekt bei etwa Raum
temperatur zeigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
an sich Material mit einer Zusammensetzung auf Basis von
(A1)1-x(A2)xMnOz verwendet wird, wobei die dreiwertige
Komponente A1 ein Lanthanid einschließlich Lanthan (La)
oder Yttrium (Y) und die zweiwertige Komponente A2 ein
Erdalkalimetall oder Blei (Pb) zumindest enthalten und
0,1 ≦ x ≦ 0,9 sowie 2,5 ≦ z ≦ 3,5 sind.
Unter einer Basis der hier genannten Zusammensetzung sei
die Grundzusammensetzung mit den vier genannten Komponen
ten verstanden. Die einzelnen Komponenten stellen dabei
Hauptkomponenten dar, die gegebenenfalls durch andere
Elemente zu einem geringeren Anteil (unter 50%) durch
ein anderes Element aus der zu den jeweiligen Komponen
ten genannten Elementengruppe substituiert sein können.
Insbesondere lassen sich z. B. bis zu 35 Atom-% der
Mn-Komponente durch ein anderes Metall mit 3d-Elektro
nenkonfiguration, vorzugsweise auch durch Cu oder durch
Al, ersetzen. Für die Zusammensetzung dieser Komponente
gilt dann also: Mn1-y(A3)y mit 0 < y ≦ 0,35. Bei den
3d-Elementen handelt es sich dabei um die Elemente des
Periodensystems der Elemente mit den Ordnungszahlen
zwischen 21 und 30 (einschließlich). Außerdem können
selbstverständlich in dem erfindungsgemäß zu verwenden
den Material übliche Verunreinigungselemente mit je
weils einem Anteil unter 0,5 Atom-% vorhanden sein.
Die Erfindung ist darin zu sehen, daß erkannt wurde, daß
das erfindungsgemäß zu verwendende Material einen ver
hältnismäßig hohen magnetoresistiven Effekt zeigt, so daß
es vorteilhaft für magnetoresistive Sensoren vorgesehen
wird. Die Curie-Temperatur des Sensormaterials liegt je
nach Stöchiometrie der Zusammensetzung etwa bei Raum
temperatur (vgl. "Physica", Vol. 16, 1950, Seiten 337
ff). Bei dieser Temperatur zeigt das Material ebenfalls
den erwähnten elektronischen Übergang vom lokalisierten
(halbleitenden), unmagnetischen zum metallisch leitenden,
magnetischen Zustand (vgl. "Solid State Commun.", Vol. 82,
No. 9, 1992, Seiten 693 bis 696). Die formale Mn-Valenz,
welche die Leitfähigkeit und die Übergangstemperatur
beeinflußt, wird durch die Anteile an der dreiwertigen
A1-Komponente und der zweiwertigen A2-Komponente bestimmt.
So ergibt sich beispielsweise für das Stoffsystem
La-Ba-Mn-O unter der Annahme der Valenzen für O = -2,
La = +3 und Ba = +2 eine Zusammensetzung La2/3Ba1/3MnO3,
d. h. Mn = 3,33. Für die vorgesehene Verwendung in magne
toresistiven Sensoren ist vorteilhaft ein Anteil von x
zwischen 10 und 90 Atom-% bzgl. des Anteils A1 + A2
( = 100 Atom-%). Einen ähnlichen Einfluß hat auch die
Substitution des Mn durch andere 3d-oder 4s-Elemente,
wobei bis zu 35 Atom-% der Mn-Komponente durch das andere
Element ersetzt werden können. Ferner ist ein Sauerstoff
gehalt mit z 3 als besonders günstig anzusehen.
Besonders vorteilhaft läßt sich das Sensormaterial als
Schicht auf einem Substrat durch Laserablation eines ent
sprechenden Targetmaterials abscheiden. Diese Abscheidung
kann verzugsweise "off-axis" erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäß
zu verwendenden Materials bzw. des Herstellungsverfahrens
gehen aus den jeweils abhängenden Ansprüchen hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs
beispieles noch weiter erläutert, wobei auch auf die
Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigen deren Fig.
1 und 2 jeweils in einem Diagramm den relativen elektri
schen Widerstand eines erfindungsgemäß zu verwendenden
Materials als Funktion der Stärke eines angelegten Magnet
feldes bzw. den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit
von der Temperatur bei verschiedenen Magnetfeldverhält
nissen.
Das erfindungsgemäß zu verwendende Sensormaterial soll
allgemein eine Zusammensetzung aufweisen, die auf der
Zusammensetzung (A1)1-x(A2)xNinOz basiert. Hierbei handelt
es sich bei der Komponente A1 um Y oder ein Lanthanid wie
z. B. La, Fr, Nd, Sm, Eu oder Dy. Die Komponente A2 soll
aus der Gruppe der Erdalkalimetalle, insbesondere Mg, Ca,
Sr, Ba oder aus Pb, ausgewählt sein. Die einzelnen Anteile
der Komponenten sind dabei so zu wählen, daß gilt:
0,1 ≦ x ≦ 0,9, vorzugsweise 0,25 ≦ x ≦ 0,75,
und
2,5 ≦ z ≦ 3,5, vorzugsweise z 3.
und
2,5 ≦ z ≦ 3,5, vorzugsweise z 3.
Die beiden Komponenten A1 und A2 sollen dabei jeweils min
destens ein Element aus der jeweiligen Elementengruppe
aufweisen. Darüber hinaus kann die angegebene Zusammen
setzung noch minimale Verunreinigungen mit jeweils unter
0,5 Atom-% pro Verunreinigungselement enthalten. Ausfüh
rungsbeispiele für entsprechende Materialien sind demnach
La0,67Ba0,33MnO3 oder Pr0,5Sr0,5MnO3 oder
Nd0,33Ca0,67MnO3. Diese Materialien haben eine perowskit
ähnliche Kristallstruktur und zeichnen sich durch einen
erhöhten magnetoresistiven Effekt Mr von insbesondere über
10%, vorzugsweise über 50% aus. Der Effekt liegt damit
deutlich höher als bei bekannten Cu/Co-Multilagensystemen.
Schichten aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden Material
können beispielsweise durch Sputter- oder spezielle Auf
dampfprozesse hergestellt werden. Besonders geeignet ist
auch die Herstellung einer Schicht mittels Laserver
dampfens, wie es zur Herstellung von metalloxidischen
Supraleitermaterialien mit Sprungtemperturen Tc von ins
besondere über 77 K her bekannt ist (vgl. z. B. "Appl.
Phys. Lett.", Vol. 53, No. 16, 17.10.1988, Seiten 1557 bis
1559). Entsprechende Schichten aus dem erfindungsgemäßen
Sensormaterial werden vorteilhaft auf Substraten abge
schieden, deren jeweilige kristalline Einheitszelle an die
Einheitszelle des Sensormaterials angepaßte Maße hat. Be
sonders geeignet sind deshalb Substratmaterialien, die
ebenfalls perowskitähnliche Kristallstruktur haben. Ent
sprechende Ausführungsbeispiele sind SrTiO3, MgO, LaAlO3,
NdGaO3, MgAl2O4 oder Y-stabilisiertes ZrO2 (Abkürzung:
YSZ). Daneben sind aber auch Si-Substrate geeignet, die
mit einer speziellen Zwischenschicht, einer sogenannten
"buffer layer", überzogen sind. Derartige Zwischenschich
ten sind ebenfalls bei der Abscheidung von Noch-Tc-Supra
leitermaterialien bekannt. Ein Beispiel ist das YSZ.
Als konkretes Ausführungsbeispiel sei die Abscheidung von
La0,67Ba0,33MnO3 auf einem SrTiO3-Substrat ausgewählt. Als
Abscheidungsverfahren ist vorzugsweise ein Laser-Verdamp
fen (Laser-Ablation) vorgesehen (vgl. die genannte Litera
turstelle aus Appl. Phys. Lett." 53 oder die DE-PS
38 16 192). Eine hierfür geeignete Abscheidungseinrichtung
umfaßt einen Laser zum Erzeugen eines gepulsten Laser
strahls. Mit diesem Laserstrahl muß eine vorbestimmte
Energiedichte an einem Target aus dem zu ablatierenden
Material zu erzeugen sein. XeCl-Excimer-Laser oder Nd-YAG-
Laser können diese Forderung erfüllen. Das Material des
Targets enthält dabei mindestens die drei metallischen
Komponenten des herzustellenden Sensormaterials in ent
sprechender Stöchiometrie. Insbesondere kann von einem
sauerstoffhaltigen Targetmaterial ausgegangen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einer Beschichtungs
kammer der Abscheidungseinrichtung das SrTiO3-Substrat be
züglich des Teilchenstromes aus dem laserablatierten Tar
getmaterial so angeordnet wird, daß die Normale auf der zu
beschichtenden Fläche bzw. Flachseite mindestens annähernd
senkrecht bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilchen
stromes ausgerichtet ist (sogenannte "Off-axis-Abschei
dung"; vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 61, No. 26,
28.12.1992, Seiten 3177 bis 3180). Dabei werden in der Be
schichtungskammer vorteilhaft besondere Verfahrensbedin
gungen eingestellt, die eine dropletfreie Ausbildung einer
Schicht des gewünschten Sensormaterials mit der perowskit
ähnlichen Kristallstruktur auf der Substratfläche ermög
lichen. Hierzu muß in der Beschichtungskammer ein Par
tialdruck mindestens eines an sich beliebigen Gases zwi
schen 10-3 mbar und 100 mbar eingestellt werden. Vorteil
haft wird für die Abscheidung des Sensormaterials Sauer
stoff mit einem verhältnismäßig hohen Partialdruck zwi
schen etwa 0,2 mbar und 0,6 mbar vorgesehen. Dies ist
insbesondere dann erforderlich, wenn von einem sauerstoff
freien Targetmaterial ausgegangen wird. Ansonsten ist aber
die Wahl eines O2-Partialdruckes unkritisch. Außerdem ist
es von vorteilhaft, wenn am Substrat eine Temperatur zwi
schen 400°C und 1400°C eingehalten wird. Diese Tempera
turverhältnisse können beispielsweise mittels einer Heiz
vorrichtung gewährleistet werden, die den Substratkörper
allein durch thermische Strahlung erwärmt. Gegebenenfalls
kann aber auch auf eine derartige Aufheizung des Substrats
verzichtet werden, oder es ist sogar eine Kühlung während
des Beschichtungsvorganges bis auf Temperaturen von unter
20 K möglich.
Für eine entsprechend mit einer Wärmebehandlung hergestell
te Schicht aus La0,67Ba0,3MnO3 auf einem SrTiO3-Substrat
zeigt die in dem Diagramm der Fig. 1 wiedergegebene Kurve
die Magnetfeldabhängigkeit des relativen elektrischen Wi
derstandes Rr. In dem Diagramm sind in Abszissenrichtung
das angelegte (äußere) Magnetfeld der Stärke H (in kOe)
und in Ordinatenrichtung der davon abhängige relative
elektrische Widerstand Rr (in %) aufgetragen. Der rela
tive elektrische Widerstand Rr ist dabei definiert als der
Quotient aus dem bei einer Feldstärke H gemessenen elek
trischen Widerstand R (H) und dem sich bei fehlendem
Feld ergebenden elektrischen Widerstand R (O). Aus dem
Kurvenverlauf ist eine maximale Widerstandsdifferenz dR/R
des relativen elektrischen Widerstandes von etwa 55% ab
zulesen. Diese Differenz entspricht der Größe des magneto
resistiven Effektes Mr des erfindungsgemäß hergestellten
Sensormaterials.
Der Einfluß der Meßtemperatur auf den elektrischen Wi
derstand des La0,67Ba0,33MnO3-Sensormaterials läßt sich
aus dem Diagramm der Fig. 2 ablesen. In diesem Diagramm
sind in Abszissenrichtung die Meßtemperatur Tm (in K) und
in Ordinatenrichtung der elektrische Widerstand R (in)
aufgetragen. Die mit I bezeichnete, durchgezogene Kurve
ergibt sich bei fehlendem äußeren Magnetfeld H bzw. feh
lender magnetischer Induktion B = 0 am Sensormaterial,
während die punktiert eingezeichnete Kurve II bei einer
magnetischen Induktion B = 5 T erhalten wird. Die größte
Widerstandsdifferenz zwischen beiden Kurven, d. h. der
größte relative Effekt, tritt demnach im Bereich der Meß
temperatur Tm ≈ 290 K auf.
Dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem erfindungs
gemäß zu verwendenden Stoffsystem (A1)1-x(A2)xMnOz wurde
das Material La0,67Ba0,33MnO3 zugrundegelegt. Ähnliche
magnetoresistive Effekte werden auch beobachtet, wenn man
andere Materialien für die Komponenten A1 und A2 aus den
hierzu genannten Gruppen auswählt oder die für diese Kom
ponenten gewählten Elemente partiell durch andere Elemente
aus der jeweiligen Gruppe substituiert. Entsprechende Aus
führungsbeispiele sind das (La,Ce)0,67Ba0,33MnO3 oder das
Y0,67(Ea,Sr)0,33MnO3.
Ferner kann vorteilhaft auch die Mn-Komponente partiell
durch ein anderes Element aus der Gruppe der 3d-Elemente
(Elemente mit einer Ordnungszahl zwischen 21 und 28 des
Periodensystems) oder durch Cu substituiert werden. Hier
bei sollte diese Substitution höchstens zu 35 Atom-% er
folgen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist das
Sensormaterial (Sm0,33Ca0,67)(Mn0,8Cu0,2)O3. Selbstver
ständlich sind auch in diesem Falle die erwähnten Substi
tutionen für die Komponenten A1 und A2 möglich. Ein ent
sprechendes Material zeigt ebenfalls einen erhöhten magne
toresistiven Effekt.
Claims (8)
1. Verwendung eines Materials, das eine perowskitähnliche
Kristallstruktur besitzt und einen erhöhten magnetore
sistiven Effekt zeigt, mit einer Zusammensetzung auf Basis
von
(A1)1-x(A2)xMnOz
mit der dreiwertigen Komponente A1, ausgewählt aus der Gruppe der Lanthaniden einschließlich Lanthan (La) oder aus Yttrium (Y),
mit der zweiwertigen Komponente A2, ausgewählt aus der Gruppe der Erdalkalimetalle oder aus Blei (Pb), und mit 0,1 ≦ x ≦ 0,9 sowie 2,5 ≦ z ≦ 3,5, in einem magnetoresistiven Sensor.
(A1)1-x(A2)xMnOz
mit der dreiwertigen Komponente A1, ausgewählt aus der Gruppe der Lanthaniden einschließlich Lanthan (La) oder aus Yttrium (Y),
mit der zweiwertigen Komponente A2, ausgewählt aus der Gruppe der Erdalkalimetalle oder aus Blei (Pb), und mit 0,1 ≦ x ≦ 0,9 sowie 2,5 ≦ z ≦ 3,5, in einem magnetoresistiven Sensor.
2. Verwendung eines Materials gemäß Anspruch 1, das
gekennzeichnet ist durch eine Komponente
A1 und/oder eine Komponente A2 mit mindestens zwei Ele
menten aus der für die Komponente A1 bzw. A2 jeweils
genannten Elementengruppe.
3. Verwendung eines Materials gemäß Anspruch 1 oder 2,
das dadurch gekennzeichnet ist,
daß das Mn der Mn-Komponente durch mindestens ein zu
sätzliches Element A3 aus der Gruppe der Nebengruppenele
mente mit 3d-Elektronenkonfiguration oder mit Kupfer (Cu)
oder Aluminium (Al) teilweise ersetzt ist, so daß diese
Komponente die Zusammensetzung
Mn1-y(A3)y
hat
mit 0 < y ≦ 0,35.
Mn1-y(A3)y
hat
mit 0 < y ≦ 0,35.
4. Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus dem in
einem magnetoresistiven Sensor verwendeten Material
nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Sensormaterial durch
Laserablation eines entsprechenden Targetmaterials auf
einem Substrat abgeschieden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Targetmaterial eine
Legierung aus den metallischen Komponenten des Sensorma
terials vorgesehen wird und die Abscheidung in einer
sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Targetmaterial das
oxidische Sensormaterial vorgesehen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß bei der
Abscheidung das zu beschichtende Substrat derart ange
ordnet wird, daß die Normale auf seiner zu beschichtenden
Oberfläche zumindest annähernd senkrecht bezüglich der
Ausbreitungsrichtung des ablatierten Targetmaterials aus
gerichtet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß das Sub
strat während der Abscheidung auf erhöhter Temperatur ge
halten wird.
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