Dehnungs-Widerstandseffekt von metallischen Sensorschichten im antiferromagnetischen Zustand
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sensoren für die Messung von Drücken, Kräften und Dehnungen basieren auf der Umsetzung mechanischer Größen in elektrische Signale. Unter den vielen physikalischen Effekten, die eine Umwandlung ermöglichen, wird in diesem Projekt der recht unbekannte Dehnungs-Widerstandseffekt von antiferromagnetischen Metallschichten im Hinblick auf mögliche Sensoranwendungen untersucht. Dabei stehen spezifische Eigenschaften wie hohe Dehnungsempfindlichkeit, niedriger Temperaturkoeffizient des Widerstands (TKR), hohe Widerstandsstabilität und maximale Anwendungstemperaturen im Fokus. Bei Schichten, die Chrom enthalten, baut das Projekt auf früheren Arbeiten mit Cr und Cr-N-Schichten auf und untersucht den Einfluss von Legierungselementen in geringen Konzentrationen. Darüber hinaus wird der Dehnungs-Widerstandseffekt von Mangan-Verbindungen erforscht, die auch im Bereich der antiferromagnetischen Spintronik von besonderem Interesse sind. Durch Sputtern abgeschiedene dünne Schichten aus reinem Chrom und chromreichen Legierungen werden im Hinblick auf den elektrischen Widerstand und die Piezoresistivität, angegeben durch den k-Faktor, von Raumtemperatur bis 470°C gemessen. Bei den Legierungselementen handelt es sich um Mangan, Platin, Vanadium und Wolfram, von denen bekannt ist, dass sie den Spin-Dichte-Wellen-Antiferromagnetismus von Cr beeinflussen. In Konzentrationsreihen und einer Substratvorspannungsreihe wird die Veränderung des spezifischen Widerstands, der k-Faktoren (von bis zu 20) und ihrer Temperaturkoeffizienten gezeigt. Messungen des spezifischen Widerstandes bei hohen Temperaturen zeigen erhöhte Néel-Übergangstemperaturen, die mit einem Maximum des k-Faktors verbunden sind. Im Allgemeinen nimmt der k-Faktor in Richtung der Néel-Temperatur zu. Die Cr60Mn40-Schicht hat jedoch einen kleinen negativen Temperaturkoeffizienten des k-Faktors. Diese Eigenschaft ist bei Dehnungs- und Drucksensoren erwünscht, da sie eine Kompensation des Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls von Aluminium- oder Stahlelementen ermöglicht. Eine Analyse der Widerstandsänderung durch mechanische Belastung ergibt kleine Néel-Temperaturänderungen von einigen Kelvin pro Promille Dehnung. Insgesamt stellen die dünnen Schichten aus Cr-reichen Legierungen eine Klasse von metallischen piezoresistiven Schichten dar, deren Eigenschaften durch Konzentration und Sputterparameter gut an die Sensoranwendung angepasst werden können. Im Gegensatz zu den Crreichen Schichten können bei den Mangan-basierten Dünnschichten nur sehr geringe Dehnungs-Widerstandseffekte gemessen werden. Allein die Legierung Mn-Ru zeigt einen höheren Effekt, deren Stabilität jedoch unbefriedigend ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Spannende physikalische Effekte für die Sensorik am Beispiel eines Dissertationsprojektes; Hochschulzeitschrift sichtbar (Ausgabe 2/2021, S. 54–58)
Schwebke, Silvan & Schultes, Günter
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Antiferromagnetic chromium thin films as piezoresistive sensor materials. Journal of Applied Physics, 132(18).
Schwebke, S. & Schultes, G.
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E-MRS 2022 Spring Meeting (Symposium O, code O.3.20): Another class of piezoresistive thin film materials: Antiferromagnetic chromium alloys
Silvan Schwebke & Günter Schultes
