Palladium-Indium Oberfläche, aufgenommen mit Rastertunnelmikroskop

TMR-Effekt: Ein Sandwich mit Gedächtnis

Der sogenannte Magneto-Resistance-Effekt (TMR-Effekt) erregt die Neugier vieler Physiker. Dieses Phänomen kann möglicherweise zur Herstellung neuartiger Speicherchips führen.

Der schier unersättliche Appetit nach Information und deren digitaler Verarbeitung fordert immer schnellere Arbeitsspeicher und höhere Speicherkapazitäten. Fortschritte erwartet man von einem Teilgebiet der Magnetoelektronik, das magnetische Schichten als Bauelemente von Speichern erforscht. Ein Magnetisches Gedächtnis (MRAM) wäre nicht so vergesslich wie die bisher üblichen Dynamischen Speicher (DRAM), es würde diese auch in Speicherdichte, Lese- und Schreibgeschwindigkeit übertreffen. Dünne Oxidschichten sollen in den neuartigen Speicherelementen eine wichtige Aufgabe übernehmen.

Schwarz-weiß Mikroskopaufnahme einer regelmäßigen Atomstruktur, über die sich weiße Bahnen entlangziehen.
Eine Palladium-Indium Oberfläche mit Sauerstoff-Atomen

René Franchy braucht nur die Hand auszustrecken und schon berührt er das Objekt seines Forschungsinteresses: Ob Schere, Kugelschreiber, Locher oder Messer – jedes an der Luft befindliche Metall ist mit einer dünnen Oxidschicht bedeckt. Sie entsteht durch die Reaktion des Luftsauerstoffs mit den Atomen an der Oberfläche. Diese Schichten macht er sichtbar, studiert ihr Wachstum, klärt ihre Geometrie auf, experimentiert mit ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften. „Dünne Oxidschichten sind heute so aktuell wie vor hundert Jahren“, stellt René Franchy fest, der am Institut für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik im Forschungszentrum Jülich arbeitet. „Solche Schichten werden bei der heterogenen Katalyse und in der Sensorik angewendet. Die Evolution in der Halbleitertechnik wäre ohne sie nicht vorstellbar.“

Ein neues Einsatzgebiet liegt in der Magnetoelektronik, die neben den elektrischen auch die magnetischen Eigenschaften der Ladungsträger nutzt. Dünne Oxidschichten sollen hier beim Bau neuartiger Speicherelemente eingesetzt werden. Diese Speicher sind aus mindestens drei Schichten aufgebaut: Zwei ferromagnetische „Stockwerke“ schließen eine nichtmagnetische, isolierende Etage ein. Die ferromagnetischen Schichten lassen sich als Ansammlung von Elementarmagneten vorstellen, die einzeln ihre Orientierung ändern können.

Magnetische Stockwerke

Innerhalb einer Schicht sind sie gleich ausgerichtet. Ist die Zwischenschicht extrem dünn, kann trotz der Isolation Strom fließen: Die Elektronen tunneln durch das „Sandwich“. Dieser Tunnelstrom ist abhängig von der Orientierung der Elementarmagnete. Am größten ist er, wenn die Orientierung der magnetischen Momente in beiden Schichten parallel ist. Dann kann man den so genannten Tunnel-Magneto-Resistance-Effekt (TMR-Effekt) messen: Der elektrische Widerstand ändert sich in Abhängigkeit von einem angelegten äußeren Magnetfeld. Durch dieses Magnetfeld stellt man die Orientierung der Magnete in einer der beiden ferromagnetischen Schichten ein. Die Magnetisierung der anderen Schicht bleibt unverändert. Die zwei Möglichkeiten der Einstellung - parallel oder antiparallel - können nun zur Abspeicherung von einem Bit an Information genutzt werden. Dünne Oxidschichten sollen dabei die Rolle der nichtmagnetischen Zwischenschicht übernehmen.

Noch ist der TMR-Effekt nicht vollständig verstanden, da hat die Industrie seinen Marktwert bereits entdeckt: Firmen wie IBM hoffen auf eine Wiederholung der Erfolgsstory des GMR (Giant-Magneto-Resistance)-Effekts. Der Riesen-Magneto-Widerstand – Ende der 80er Jahre von dem Jülicher Wissenschaftler Professor Peter Grünberg entdeckt – schaffte innerhalb kürzester Zeit den Schritt aus dem Forschungslabor in die Fabrik: Heute basieren unter anderem die sensitiven Leseköpfe der Festplatten auf diesem Effekt.

Damit die ferromagnetischen Schichten miteinander kommunizieren können, muss die isolierende Zwischenschicht extrem dünn sein. Die Oxidschichten, die René Franchy untersucht, sind weniger als ein Milliardstel Meter dick – also nur wenige Lagen von Atomen. Der Physiker richtet dabei sein Augenmerk auf das Wachstum dieser Schichten. „Davon erwarten wir Hinweise für die gezielte Herstellung von Substraten für Tunnelbarrieren für TMR-Modellsysteme“, erläutert Franchy. „Unser Ziel ist es dabei, einkristalline Schichten herzustellen - also ein in sich geordnetes und einheitlich orientiertes kristallines Oxid“. Denn das Kristallgefüge spielt eine wichtige Rolle für die Eigenschaften eines Materials. Man denke nur an Diamant und Graphitbleistift: Beide sind Erscheinungen des gleichen Elementes, nämlich Kohlenstoff, aber mit höchst unterschiedlichen Eigenschaften. Ebenso verhält es sich mit Oxidschichten: Eine perfekte Regelmäßigkeit in atomar dünnen Schichten hat bestimmte elektronische, mechanische oder optische Eigenschaften zur Folge. René Franchy hält sozusagen den Schlüssel für die Entwicklung der ersten Speicherzellen mit einem kristallinen Oxid in der Hand.

Schwarz-weiße Mikroskopaufnahme, auf der sich längliche, schlanke Strukturen  flach über eine Fläche aus kleinen, hellen Kügelchen ausbreiten.
Galliumoxid-Inseln auf Kobaltgallium

Eines seiner wichtigsten Werkzeuge, mit dem er die Oxide unter die Lupe nimmt, ist das Rastertunnelmikroskop (RTM). Mit diesem Gerät kann man die Struktur einer Oberfläche Atom für Atom studieren. Das gelingt durch die Anwendung des Tunneleffekts – also des gleichen Effekts, der auch beim Tunnel-Magnetowiderstand auftritt. Das „Auge“ des Mikroskops ist eine Nadel, die in einem einzigen Atom endet. Während die Spitze im atomaren Abstand über die Probenoberfläche geführt wird, treten elektrische Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Probenoberfläche und der Sonde auf. Elektronen überwinden die Distanz zwischen Probe und Sonde („tunneln“) und erzeugen den so genannten Tunnelstrom. Seine Stärke hängt empfindlich vom Abstand zwischen Sondenspitze und Probenoberfläche ab. Ein „Loch“ in der Oberfläche verursacht einen verringerten Tunnelstrom, ein hervorstehendes Atom einen verstärkten Tunnelstrom. Das RTM liefert so eine topographische Karte atomarer Auflösung von der Probenoberfläche.

René Franchy kann mit dem RTM bei den elementaren Prozessen der Schichtenbildung zuschauen. Er erhält dabei ein Bild, aus dem er zum Beispiel ablesen kann, in welche Richtung die Oxidinseln wachsen, welche Abstände die Atome voneinander haben und wo genau sie im Kristallgitter sitzen. Messungen des Elektronenenergieverlustspektrums - es verrät das charakteristische Schwingungsverhalten der Atome und Atomgruppen an der Oberfläche, wodurch sie identifiziert werden können - ergänzen die Strukturdaten um die chemische Information. Diese Informationen nützen Franchy bei der gezielten Herstellung der einkristallinen Oxidschichten für mögliche Speicherzellen.