Magnetosensoren: EMR-Effekt und lokale Sonden
Metall/Halbleiter-Hybridstrukturen können einen extrem großen Magnetowiderstandseffekt aufweisen, den so genannten extraordinary magnetoresistance (EMR) Effekt. Wir haben in Hybridstrukturen, die aus einem zwei-dimensionalen Elektronensystem in einer InAs/InGaAs-Heterostruktur und aus einer 500 nm dicken Goldschicht bestehen, bei 4.2 K einen EMR-Effekt von 115.000% bei einem Tesla gemessen. Dieser hohe Wert tritt auf, da sich durch das angelegte Magnetfeld der eingespeiste Strom zwischen den Materialien umverteilt, deren Leitfähigkeit verschieden ist. Der Effekt gehört zur Klasse der geometrischen Magnetowiderstände (MR) und ist umso ausgeprägter, je geringer der Grenzflächenwiderstand zwischen Metall und Halbleiter ist. Die spezielle Herstellungsmethode des cleaved-edge overgrowth, die wir angewendet haben, liefert minimale Grenzflächenwiderstände.
Der EMR-Effekt eröffnet technologisch relevante Perspektiven, wie z.B. rauscharme Magnetfeld-Sensoren. So haben wir durch Simulationsrechnungen gezeigt, dass für ein Messsignal von +/-50 mT ein relativer MR-Effekt von größer als 100% bei Raumtemperatur zu erwarten ist. Wir stellen mit Elektronenstrahl-Lithographie außerdem nanostrukturierte Hall-Kreuze aus Halbleiter-Heterostrukturen her, die wir z.B. als lokale Sonden bei der Untersuchung von ferromagnetischen Nanostrukturen einsetzen. Wir verwenden dabei je nach Anwendung zwei verschiedene Messgrößen. Diese sind der Hall-Widerstand bzw. der bend resistance. Im letztgenannten Fall haben wir gefunden, dass ein wesentlich höheres räumliches Auflösungsvermögen hinsichtlich inhomogener Streufeld-Verteilungen vorliegt, als dies vom lokalen Hall-Effekt bekannt ist.
Dieses zunächst überraschende Resultat basiert auf dem Transport von ballistischen Elektronen im Halbleiter, wenn sich dieser bei tiefer Temperatur (4.2 K) befindet.
Das Prinzip der Elektronenablenkung durch lokale Magnetfelder aufgrund der Lorentz-Kraft erinnert an das Lorentz-Transmissionsmikroskop. Experimentelle Ergebnisse in der bend-resistance-Magnetometrie vergleichen wir mit Domänenstrukturen und Streufeld-Verteilungen, die wir in mikromagnetischen Simulationen ermitteln.
Siehe hierzu z.B.: