Magnetowiderstand: Messung, Arten und Anwendungen
Einführung
UnterMagnetowiderstandversteht man die Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials in Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld. Diese Eigenschaft ist für verschiedene technologische Anwendungen von grundlegender Bedeutung, z. B. für Magnetsensoren, Datenspeichergeräte und Kraftfahrzeugsysteme.
Arten von Magnetowiderstand
Gewöhnlicher Magnetowiderstand
Der gewöhnliche Magnetowiderstand tritt in nichtmagnetischen Materialien auf und ist in der Regel linear mit dem angelegten Magnetfeld. Er entsteht durch die klassische Bewegung von Ladungsträgern in Gegenwart eines Magnetfeldes.
Riesenmagnetowiderstand (GMR)
Riesenmagnetowiderstand wird in mehrschichtigen Strukturen beobachtet, die aus abwechselnd ferromagnetischen und nichtmagnetischen leitenden Schichten bestehen. GMR hat die Datenspeichertechnologie revolutioniert, indem er die Entwicklung von Festplatten mit hoher Speicherdichte ermöglichte.
Kolossaler Magnetowiderstand (CMR)
Der kolossale Magnetowiderstand ist durch eine außergewöhnlich große Widerstandsänderung unter einem Magnetfeld gekennzeichnet, die häufig bei Manganoxiden beobachtet wird. CMR-Materialien sind vielversprechend für zukünftige elektronische und spintronische Geräte.
Wismut und seine magnetoresistiven Eigenschaften
Bismut ist ein Halbmetall, das für seinen hohen Magnetowiderstand bekannt ist. Seine einzigartige elektronische Struktur und niedrige Ladungsträgerdichte machen es zu einem hervorragenden Kandidaten für die Untersuchung von Magnetowiderstandsphänomenen und die Entwicklung empfindlicher Magnetsensoren.
Typ | Beschreibung | Anwendungen |
Gewöhnlicher Magnetowiderstand | Veränderung des Widerstands in nichtmagnetischen Materialien | |
Riesenmagnetowiderstand (GMR) | Große Widerstandsänderung in mehrschichtigen Strukturen | Festplattenlaufwerke |
Kolossaler Magnetowiderstand (CMR) | Extrem große Widerstandsänderung in bestimmten Oxiden | Spintronische Geräte |
Wismut-basierter Magnetowiderstand | Signifikante Widerstandsänderung in Bismut | Magnetfeld-Detektoren |
Wie man den Magnetowiderstand misst
Experimenteller Aufbau
Bei der Messung des Magnetowiderstands wird ein Magnetfeld an ein Material angelegt und die daraus resultierende Änderung des elektrischen Widerstands gemessen. Dies erfordert in der Regel eine Quelle für ein stabiles Magnetfeld, z. B. einen supraleitenden Magneten, und präzise elektrische Messgeräte wie eine Vierpunktsonde.
Messtechniken
- Magnetowiderstand in Längsrichtung: Misst den Widerstand entlang der Richtung des angelegten Magnetfelds.
- Transversaler Magnetowiderstand: Misst den Widerstand senkrecht zum Magnetfeld und gibt Aufschluss über den Hall-Effekt des Materials.
- Winkelabhängiger Magnetowiderstand: Variiert den Winkel zwischen dem Strom und dem Magnetfeld, um anisotrope Eigenschaften zu untersuchen.
Datenanalyse
Die Widerstandsänderung wird häufig gegen die Magnetfeldstärke aufgetragen, um das magnetoresistive Verhalten des Materials zu analysieren. Schlüsselparameter wie das Magnetowiderstandsverhältnis und das Sättigungsfeld werden extrahiert, um die Leistung des Materials zu charakterisieren.
Technik | Beschreibung | Vorteile |
Magnetowiderstand in Längsrichtung | Misst den Widerstand entlang der Magnetfeldrichtung | Einfacher Aufbau, direkte Messung |
Transversaler Magnetowiderstand | Misst den Widerstand senkrecht zum Feld | Einblicke in den Hall-Effekt |
Winkelabhängiger Magnetowiderstand | Variiert den Winkel zwischen Strom und Magnetfeld | Untersucht anisotrope Eigenschaften |
Weitere Informationen finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).
Anwendungen von Magnetowiderstand
Datenspeicherung
GMR und CMR sind ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung von Festplatten mit hoher Speicherkapazität, die durch kleinere und effizientere Lese-/Schreibköpfe höhere Speicherkapazitäten ermöglichen.
Magnetische Sensoren
Magnetoresistive Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in Automobilsystemen zur Erfassung der Radgeschwindigkeit, als Positionssensoren in der Robotik und als Leseköpfe in Magnetspeichergeräten.
Spintronik
Der Magnetowiderstand spielt eine entscheidende Rolle in spintronischen Geräten, die den Spin des Elektrons zusätzlich zu seiner Ladung für die Informationsverarbeitung nutzen, was schnellere und effizientere elektronische Geräte verspricht.
Häufig gestellte Fragen
Wofür wird der Magnetowiderstand verwendet? Magnetowiderstand wird u. a. in Datenspeichern, magnetischen Sensoren und spintronischen Anwendungen eingesetzt.
Wie unterscheidet sich der Riesenmagnetowiderstand vom gewöhnlichen Magnetowiderstand? Beim Riesenmagnetowiderstand handelt es sich um eine viel größere Widerstandsänderung aufgrund mehrschichtiger Strukturen, während der gewöhnliche Magnetowiderstand in einzelnen nichtmagnetischen Materialien mit kleineren Widerstandsänderungen auftritt.
Warum ist Wismut für Magnetowiderstandsstudien von Bedeutung?Wismut hat einzigartige elektronische Eigenschaften, wie eine geringe Ladungsträgerdichte und eine komplexe Fermi-Fläche, die zu ausgeprägten magnetoresistiven Effekten führen und es sowohl für die Forschung als auch für Anwendungen wertvoll machen.
Welche Geräte werden für die Messung des Magnetowiderstands benötigt? Eine stabile Magnetfeldquelle wie ein supraleitender Magnet und präzise elektrische Messgeräte wie eine Vierpunktsonde sind für die Messung des Magnetowiderstands unerlässlich.
Kann der Magnetowiderstand in allen Materialien beobachtet werden? Nein, der Magnetowiderstand wird in der Regel bei Materialien mit bestimmten elektronischen Eigenschaften beobachtet, z. B. mit hoher Mobilität oder spezifischen Bandstrukturen, und ist bei einigen Materialien wie Wismut, mehrschichtigen Ferromagneten und Manganoxiden stärker ausgeprägt.
