Siegeszug der Sandwiches - wissenschaft.de
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Siegeszug der Sandwiches

Neuartige Sensoren revolutionieren die Computerindustrie. Stapel aus hauchdünnen magnetischen Schichten spüren selbst winzige Magnetfelder auf. Diese Entdeckung des deutschen Physikers Peter Grünberg verhilft Computer-Festplatten zu ungeahntem Fassungsvermögen und ermöglicht den Bau neuartiger Speicherchips. Deutsche Unternehmen mischen dank ihres Know-how-Vorsprungs an der Weltspitze mit.

Das Urteil des Gutachters war vernichtend: „Was Sie da gefunden haben, ist zu schwach, um interessant zu sein.“ Die renommierte Fachzeitschrift „Physical Review Letters“, lehnte die Veröffentlichung von Peter Grünbergs Entdeckung zunächst ab. Dem Physiker vom Forschungszentrum Jülich ist der Ärger darüber noch heute, mehr als zehn Jahre danach, anzumerken. „Mir war sofort klar, daß wir einem Effekt mit vielen Anwendungsmöglichkeiten auf der Spur waren“, sagt Grünberg. Er hatte recht – und davon war auch sehr bald die restliche wissenschaftliche Welt überzeugt. Für die Entdeckung des „Giant Magneto Resistive“-Effekts (GMR) wurde der Jülicher Wissenschaftler in den vergangenen Jahren geradezu mit Auszeichnungen überhäuft. Die bislang letzte Ehrung war der mit 500000 Mark dotierte Zukunftspreis 1998 für Technik und Innovation des Bundespräsidenten.

Doch damit nicht genug: „Ich habe damals gleich an neue Magnetfeldsensoren gedacht“, erinnert sich Grünberg, der seine Idee patentieren ließ. Dieser Schritt hat dem Forschungszentrum Jülich bislang mehr als zehn Millionen Mark an Lizenzgebühren eingebracht, und auch Grünberg selbst profitierte mit einem erklecklichen Sümmchen davon. Denn GMR-Sensoren sind inzwischen unverzichtbarer Bestandteil vieler Computer-Festplatten. Und neuartige GMR-Positionssensoren, die vor kurzem auf den Markt kamen, sollen bald in Waschmaschinen, Autos oder Industriemaschinen eingesetzt werden.

Der GMR-Effekt gilt als ein Paradebeispiel dafür, daß sich Grundlagenforschung finanziell lohnen kann. Seine Entdeckung hat eine völlig neue Forschungsdisziplin begründet, die in den letzten zehn Jahren einen rasanten Aufschwung genommen hat: die Magnetoelektronik. „Damit ist eine Elektronik gemeint, die nicht nur die Ladung eines Elektrons nutzt, sondern auch sein magnetisches Moment“, erläutert der Technologieberater Stefan Mengel vom Verein Deutscher Ingenieure (VDI). Er hat in Studien das Zukunftspotential der Magnetoelektronik untersucht.

„In der Vergangenheit sind wichtige Hersteller von Magnettechnologien aus Deutschland abgewandert“, konstatiert er. So habe Siemens seinen Festplattenbereich aufgegeben und BASF seine Magnetbandsparte an ein koreanisches Unternehmen verkauft. „ Die Magnetoelektronik gibt der Industrie in Deutschland die Chance, wieder an der Weltspitze mitzumischen“, meint Mengel. „ Die wissenschaftliche Arbeit auf diesem Gebiet war hierzulande sowieso immer sehr gut.“ Diesem Urteil hat sich 1998 auch das Bundesforschungsministerium angeschlossen, das die junge Wissenschaftsdisziplin seitdem in einem auf fünf Jahre angelegten Leitprojekt mit insgesamt 25 Millionen Mark fördert. Einige Erscheinungen, die heute zur Magnetoelektronik zählen, kennen die Physiker schon seit dem 19. Jahrhundert. Am bekanntesten ist der Hall-Effekt, bei dem ein Magnetfeld die Elektronen in einem stromdurchflossenen Leiter ablenkt. Dadurch wird senkrecht zur Stromrichtung eine Spannung erzeugt. Weil die Spannungsgröße von der Stärke und der Richtung des Magnetfeldes abhängt, eignen sich Hall-Elemente ausgezeichnet als Magnetfeldsensoren. In den allermeisten Fällen funktionieren Techniker sie zu preiswerten, berührungslosen Positions- und Winkelmeßgeräten um. Mit einem solchen Hall-Sensor läßt sich nämlich präzise die Bewegung eines nahe vorbeigeführten Magneten verfolgen.

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„Im Auto gibt es mindestens 25 Anwendungen für Magnetfeldsensoren“, sagt Franz Jost von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Bosch in Stuttgart. „Beispiele sind Antiblockiersystem (ABS), Türfenster, Schiebedach oder die Fahrdynamikregelung der A-Klasse.“ Über letztere war nach dem verpatzten Elchtest des DaimlerChrysler-Wagens immer wieder berichtet worden. Die simpelste Form eines magnetischen Bewegungssensors findet man an jedem Fahrrad mit Tacho: Ein Permanentmagnet, der auf eine Speiche des Vorderrades gesteckt ist, läuft bei jeder Umdrehung an einer Spule vorbei und erzeugt dort einen Spannungsstoß. Aus der Anzahl dieser Impulse pro Sekunde errechnet der Tacho die Geschwindigkeit und den Fahrtweg. „Das sind induktive Sensoren, die es in ähnlicher Form auch in vielen industriellen Anwendungen gibt“, erklärt Stefan Mengel. „ Die zählen aber nicht zur Magnetoelektronik.“ Was Peter Grünberg und seine Mitarbeiter zu Beginn des Jahres 1988 in ihrem Labor sahen, beruht auf ganz anderen physikalischen Prinzipien. Die Wissenschaftler experimentierten mit Schichtsystemen, die nur einige millionstel Millimeter dick waren. Besonders interessierten sie sich für Sandwich-Anordnungen, bei der zwei magnetische Eisen-Lagen eine nicht magnetische Chrom-Schicht einschlossen. Sie entdeckten, daß sich der elektrische Widerstand des Sandwichs veränderte, wenn man die Magnetisierungsrichtung im Eisen drehte. Der Effekt war anfangs winzig: Die Widerstandsänderung betrug nur wenige Prozent.

Forscher um Albert Fert von der Université Paris-Sud machten zur gleichen Zeit ähnliche Experimente – allerdings mit einem Multischichtsystem, in dem viele magnetische und nichtmagnetische Lagen aufeinander gestapelt waren. Die französischen Wissenschaftler erreichten damit auf Anhieb eine Variation des Widerstands von etwa 30 Prozent. Sie tauften dieses Phänomen auf den Namen Riesenmagneto-Widerstand (Giant Magneto Resistance). Denn nie zuvor hatten Physiker eine derart starke Kopplung zwischen Magnetismus und Elektrizität in Metallen beobachtet.

Daß der GMR-Effekt wenige Jahre nach seiner Entdeckung in Massenprodukten genutzt wurde, ist vor allem Stuart Parkin zu verdanken. Der Physiker vom Almaden-Forschungszentrum der IBM in San José, Kalifornien, war sofort fasziniert von den Meßergebnissen Grünbergs und Ferts. Er begann selbst, mit den Schichtsystemen zu experimentieren, probierte mehr als 30000 Multilagen-Kombinationen aus und fand so heraus, bei welchen Materialien der GMR-Effekt am stärksten auftritt. Sehr bald zeigte sich ein entscheidender Vorteil des Phänomens: GMR-Meßelemente lassen sich sehr viel kleiner bauen als konventionelle Magnetsensoren. Das interessierte besonders Parkins Kollegen, die Entwickler von Computer-Festplatten bei IBM. Gehört es doch zu ihren Aufgaben, immer mehr Bits auf jedem Quadratzentimeter eines Magnetspeichers unterzubringen. Dazu müssen die Techniker die Lese- und Schreibköpfe für die digitalen Informa-tionshäppchen bei jeder neuen Speichergeneration weiter miniaturisieren.

Noch in den achtziger Jahren ratterten über die Festplatten nur induktive Sensorköpfe. Sie funktionierten im Prinzip wie der Bewegungssensor am Fahrradtacho: Eine Spule wurde über die rotierende Festplatte bewegt und erfuhr jeweils kurze Spannungsstöße, wenn sie Regionen überstrich, in denen Bits magnetisch gespeichert waren. Mit diesem Verfahren gelang es den Festplattenherstellern in den achtziger Jahren, die Bitdichte durchschnittlich um 30 Prozent pro Jahr zu steigern. Seit IBM Anfang der neunziger Jahre Leseköpfe integriert hat, die magnetoelektronische Effekte nutzen, liegt das jährliche Wachstum bei 60 Prozent. Die erste Festplatte mit GMR-Lesekopf hatte Platz für 16,8 Gigabyte. IBM brachte die Speicherscheibe Anfang 1998 auf den Markt – nur zehn Jahre nach der Entdeckung des physikalischen Grundlageneffekts. Andere Festplattenhersteller sind inzwischen ebenfalls auf das GMR-Prinzip umgestiegen. Deutsche Unternehmen sind nicht darunter.

Ganz anders beim Geschäft mit GMR-Sensoren für die Winkel- und Positionsbestimmung: Zwar stammte das erste Produkt von der US-Firma Nonvolatile Electronics (NVE), aber auch die Siemens-Tochter Infineon Technologies verkauft seit Anfang 1999 stecknadelkopfgroße Meßfühler. Die Entwickler bei Bosch in Stuttgart und beim mittelständischen Unternehmen HL Planartechnik in Dortmund haben ebenfalls eigene Meßelemente angekündigt.

Vielleicht tauchen die Bauteile sogar bald in der Küche auf – etwa im Herd, im Geschirrspüler oder in der Waschmaschine. „Wir wollen GMR-Sensoren als Drehschalter in Hausgeräten einsetzen“, sagt Josef Habenschaden, Entwicklungsleiter für Hausgeräte-Elektronik bei der Firma Cherry im oberpfälzischen Auerbach. Der Meßfühler würde dann die Einstellung eines drehbaren Permanentmagneten bestimmen und diese Information an die Steuerung des Gerätes weiterleiten. „Solche Schalter sind völlig berührungslos“, nennt Habenschaden den Vorteil. Es gibt keine elektrischen Kontakte, die durch Fettspritzer oder Staub verschmutzt und damit gestört werden können. Eine weitere Stärke von GMR-Sensoren freut Hausgerätehersteller wie Automobilbauer: Selbst bei großen Temperaturschwankungen liefern sie immer relativ konstante Meßwerte. Sie eignen sich also für einen Einsatz im Motor genauso wie im Elektroherd. Die handelsüblichen Hall-Sensoren sind dagegen nicht gegen Hitze oder Kälte gefeit. Häufig brauchen sie deshalb einen kleinen Chip als Begleiter, der den Einfluß der Temperatur auf den Magnetfeld-Meßwert herausrechnet.

Bevor sich Joachim Wecker über derartige Detailprobleme Gedanken machen muß, werden wohl noch ein paar Jahre vergehen. Der Physiker leitet das Zukunftsprojekt MRAM (Magnetic Random Access Memory) bei Infineon in Erlangen. „Wir rechnen in wenigen Jahren mit ersten Mustern“, sagt Wecker. MRAMs sind magnetische Speicherbausteine, die vielleicht eines Tages ihre Pendants aus der Halbleiterwelt – die heute üblichen RAMs – ersetzen werden. Gemeinhin werden diese Rechnerbestandteile auch Arbeitsspeicher genannt. Herkömmliche RAMs speichern die Bits als elektronische Zustände in Halbleiterzellen. Diese brauchen eine Spannungsquelle, um die Daten zu halten. Wer seinen Rechner einfach ausschaltet, macht Tabula rasa: Der PC muß beim nächsten Mal wieder neu gebootet werden und hat die letzte Sitzung vergessen.

Genau das soll sich mit MRAMs ändern. „Wir wollen die digitalen Daten als Magnetisierung speichern, die nach dem Ausschalten erhalten bleibt“, erläutert Wecker. „Dazu nutzen wir den TMR-Effekt, der auf ganz ähnlichen Prinzipien wie der GMR-Effekt beruht.“ TMR steht für „Tunneling Magneto Resistance“. Die härtesten Infineon-Konkurrenten bei der Jagd nach den Magnetspeichern sitzen in den USA und heißen Hewlett Packard, Honeywell, IBM und Motorola. Einige dieser Unternehmen bekommen für ihre Forschung Geld vom amerikanischen Verteidigungsministerium. Die Militärs setzen große Hoffnungen auf MRAMs, wenn es um den Einsatz in Aufklärungssatelliten und Flugzeugen geht. Denn anders als bei herkömmlichen Speicherbausteinen sind die Daten auf MRAMs sicher vor der zerstörerischen Wirkung der energiereichen Höhenstrahlung. Eigentlich ist die Idee, magnetische Arbeitsspeicher zu bauen, ein Rückgriff in die siebziger Jahre. Damals waren die Rechner mit sogenannten magnetischen Kernspeichern ausgestattet, die allerdings mit den jetzt angestrebten MRAMs wenig gemeinsam hatten. Das Ende der Magnetbauteile kam, als Halbleiterspeicher immer kleiner und schneller wurden und die Kernspeicher nicht mehr mithalten konnten.

Geht es jetzt wieder in die entgegengesetzte Richtung? „Es genügt nicht, neue Speicherelemente zu bauen“, sagt Wecker. „ Damit die neue Technologie auch bezahlbar wird, müssen wir sie so gut es geht in den jetzigen Produktionsprozeß integrieren.“ Und der ist inzwischen zu 100 Prozent für Halbleiterbauteile ausgelegt. Neben seiner Grundlagenforschung will sich Peter Grünberg verstärkt um Einsatzmöglichkeiten für den GMR-Effekt kümmern. Er hat eine Firma gegründet, die nach Anwendungen Ausschau hält und diese potentiellen Interessenten schmackhaft macht. Einen ersten Erfolg gibt es schon: In seiner Freizeit spielt Grünberg neuerdings Golf. Um seinen Abschlag zu verbessern, hat er einen Analysator entwickelt, der den Schwung des Schlägers verfolgt – natürlich mit einem Magnetsensor.

GMR und TMR

Der Riesenmagneto-Widerstand (GMR, Giant Magneto Resistance) tritt nur in extrem dünnen Sandwiches auf, deren Dicke einige millionstel Millimeter nicht übersteigen darf. In seiner einfachsten Form schließen zwei magnetische Filme (zum Beispiel aus Eisen oder Kobalt) eine nicht magnetische Lage (zum Beispiel aus Chrom oder Kupfer) ein. Zeigen die Magnetisierungen der beiden Deckschichten in die gleiche Richtung, sinkt der elektrische Widerstand im Sandwich. Sind die Magnetisierungen entgegengesetzt, steigt der Widerstand an.

Die Physik hinter diesem Phänomen haben die Forscher noch nicht völlig enträtselt. Sie glauben, daß es an den Grenzflächen des GMR-Elements zu magnetfeldabhängigen Streuungen von Elektronen kommt, die den geordneten Stromfluß behindern. Der Effekt verstärkt sich, wenn das Sandwich mehrere Zwischenschichten besitzt. Die größere Zahl an Grenzflächen führt zu einer Zunahme der Streuung. Die Widerstandsänderung kann dann auf Rekordwerte von über 100 Prozent ansteigen. Wird in den Sandwiches die nichtmagnetische Lage durch eine elektrisch isolierende Schicht ersetzt, läßt sich der „Tunneling Magneto Resistance“- Effekt (TMR) beobachten. Nach den Regeln der Quantenmechanik können durch den Isolator einige wenige Ladungsträger schlüpfen. Die Größe dieses sogenannten Tunnelstroms hängt – ähnlich wie beim GMR-Effekt – von der Ausrichtung der Magnetisierungen in den beiden Außenschichten ab.

Frank Fleschner

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