AFM-DMS
Dehnungs-Widerstandseffekt von metallischen Sensorschichten im antiferromagnetischen Zustand

Der piezoresistive Effekt ermöglicht hochempfindliche Sensoren für mechanische Größen wie Dehnung, Kraft und Druck. Bekannte Materialien sind Halbleiter und granulare Metalle, bei denen die Bandlücke bzw. das Elektronen-Tunneln den Sensoreffekt ermöglicht. Doch es gibt eine weitere, noch wenig für diese Sensorik erforschte Materialklasse: antiferromagnetische Metalle wie Chrom. Bei ihnen wird durch äußere mechanische Einflüsse die magnetische Struktur beeinflusst, die wiederum den elektrischen Widerstand des Materials verändert. So resultieren hohe Sensitivitäten dieser gut leitfähigen und robusten metallischen Schichten. Nachdem wir diesen Effekt bereits für Chrom-Dünnschichten untersucht haben, erweitern wir im gegenwärtigen Forschungsprojekt den Materialbereich auf weitere Metall-Legierungen, untersuchen die Sensitivität, ihre Temperaturabhängigkeit vom Kryo- bis zu Hochtemperaturbereich, und ihre Stabilität.

Problemstellung

Antiferromagnetische Metalle sind seit vielen Jahrzehnten bekannt. Besonders Chrom ist als Modellsystem für den Spindichtewellen-Antiferromagnetismus umfangreich erforscht. Die Untersuchung und Anwendung als piezoresistives Sensormaterial ist jedoch noch jung und wirft noch viele offene Fragen auf: Wie robust sind entsprechende Dünnschichten? Wie sehen Temperaturabhängigkeiten aus und wie lassen sie sich beeinflussen, beispielsweise durch eine veränderte Zusammensetzung und Struktur? Welche weiteren antiferromagnetischen Metalle weisen vergleichbare Effekte auf?

Zielsetzung

Das grundlagenorientierte Projekt untersucht, welche antiferromagnetische Materialien einen piezoresistiven Effekt aufweisen und wie sich dieser im Detail gestaltet. Ergänzend werden mit Blick auf die Anwendung einige aussichtsreiche Materialien ausgewählt, mit denen Sensoren aufgebaut und charakterisiert werden.

Vorgehen

Mittels Sputterdeposition werden in reaktiven und Co-Sputter-Prozessen verschiedene Cr und Mn-Legierungen als Dünnschichten abgeschieden. Dabei werden Struktur und Zusammensetzung mithilfe der Depositionsparameter systematisch variiert. Mittels Laserablation durch einen Pikosekundenlaser werden flexibel verschiedene Messstrukturen erzeugt. Proben mit Glassubstrat werden bis hin zu hohen Temperaturen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften und des piezoresistiven Effekts charakterisiert. Ebenfalls werden keramische und isolierte stählerne Messkörper beschichtet, strukturiert und zu Sensoren aufgebaut, um den piezoresistiven Effekt bei hohen wie kryogenen Temperaturen zu untersuchen. Struktur und Zusammensetzung der Schichten werden mittels Analytik wie Röntgendiffraktometrie (XRD) und Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) analysiert.

Ansprechpartner: Dr. Silvan Schwebke
Projektleitung: Prof. Dr. Günter Schultes
Laufzeit: 15.01.2020 – 30.09.2022
Gefördert von: DFG