Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ

ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
“Магнитооптические сверхчувствительные сенсоры для обнаружения
наноразмерных источников магнитного поля в биочипах и живых тканях in situ
– концепция, текущее состояние и перспектива ”
при поддержке ОНИТ РАН проект
«Разработка и исследование методов создания и проектирования
матричных
многоканальных
высокочувствительных
магнитных
сенсорных устройств с пространственным разрешением в микро- и
нанометровом
диапазоне
для
биологических
и
медицинских
исследований»
В
рамках
Программы
фундаментальных
научных
исследований
«Биоинформатика, современные
информационные технологии и
математические методы в медицине»
1
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 253901 2005
In situ detection of single micron-sized magnetic beads using magnetic
tunnel junction sensors
Weifeng Shen, Xiaoyong Liu, Dipanjan Mazumdar, and Gang Xiao
Фотографии
MTJ – сенсора, погруженного в
микроканале шириной 600 μm и такого же сенсора с
двумя магнитными микрочастицами M-280 в
окрестности чувствительного элемента
2
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Цель: обнаружение свободно перемещающихся одиночных
наноразмерных магнитных объектов в микроканалах
Главная проблема
обусловлена кубической зависимостью интенсивности поля диполя от
расстояния и размерами чувствительных элементов
Дилемма: сенсоры микронных размеров не имеют высокой
чувствительности (~ 10-3 Э),
сверхчувствительные магнитометры (~ 10-10 Э) имеют
слишком значительные размеры (~10 мм)
Обнаружительная способность магнитных наночастиц сверхчувствительных
магнитометров:
СКВИД –магнитометр и магнитометры на парах
щелочных металлов (Rb)
> 100
ориентированных наночастиц
Традиционные феррозонды
> 10 000 ориентированных наночастиц
NP 100х100х100 нм, 4πM ~1000 Гс
3
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Алгоритм измерения магнитного поля с помощью феррозонда
Суммарный сигнал сердечников
отсутствует при отсутствии
внешнего поля
сигнал
возбуждение
Hm
t
Hm
Hex/Hm
Hex
Во внешнем поле фазы сигналов
сердечников смещаются в
противоположных направлениях
Появляется разностный сигнал на
двойной частоте, средняя величина
пропорциональна внешнему полю
4
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Общая схема магнитооптического феррозонда над микроканалом
light source
photodiode
liquid flow
Al mirror &
exciting current
magnetic NP
microchannel
5
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Основные предпосылки для создания феррозондового
сенсора с высоким пространственным разрешением
1. Компенсацией намагниченностей железных подрешеток феррита-граната
может быть достигнуто монодоменное состояние магнитного элемента в
микро- и даже макроскопических элементах.
Такие элементы можно сформировать травлением одноосной ферритгранатовой пленки с перпендикулярной анизотропией.
1. Поскольку размер чувствительного элемента D ~ 10 мкм превышает ширину
доменной границы δ ~ 50 нм в материалах с высокой одноосной
анизотропией, объем элемента может быть разделен на два устойчивых
домена.
2. Компенсация намагниченности граната не сопровождается компенсацией
фарадеевского вращения, так что сигнал намагничивания элемента может
быть зарегистрирован с помощью поляризованного света.
Проблемы
1. Рост коэрцитивной силы и падение подвижности доменной границы при
компенсации намагниченности феррит-граната.
2. Стабильность петли гистерезиса и устойчивость двухдоменного состояния
элемента.
6
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
7
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИП
ПМ
0,025
-20
0,002
1
0,001
3
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
-0,001
2
-0,002
-0,003
Domain wall position, mcm
Magnetostatic energy a.u.
Magnetostatic field at DW
center, Mh/4p
0,003
1
0,02
x
0,015
2
0,01
0,005
3
0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Domain wall position Х, mcm
15
20
Собственное поле элемента в центре доменной границы и магнитостатическая энергия
элемента
(D = 40 mcm, DW length L = 20 mcm):
1) прямоугольник,
2) мостик между двумя полуплоскостями,
3) гибридный элемент.
8
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИП
ПМ
Экспериментальные фотографии положения доменной границы в
критических точках и петли гистерезиса :
a – для матрицы квадратных элементов 40x40 mcm,
b – для прямоугольных мостиков 40x120 mcm and 10x120 mcm.
Garnet magnetization M = 50 Gauss, thickness h = 3 mcm.
Element magnetization, r.u.
1
0,5
a
H=-2Э
H=1Э
H=2Э
0
-2,4
-1,8
-1,2
-0,6
0
0,6
-0,5
-1
External field H, Oe
1,2
1,8
2,4
b
H=0
H = 2Э
9
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Перемагничивание at 10 KHz с постоянной скоростью доменной
границы (скорость доменной границы не зависит от внешнего поля)
V ~ 1 m/s,
10 mcm / 50 KHz / 2,5 Э
Дефекты
преодолеваются без шума
Баркгаузена
Hex = 1,5 Э
Hex = 2,5 Э
Ожидаемая полевая чувствительность
Hmin ~ 10-6 Э, соответствующая
обнаружительная способность
магнитного момента наночастиц
Hmin*D3 ~ 106 Гс·нм3 (4πМ ~ 1000 Гс)
10
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Переключение мостиков с различной компенсацией магнитостатического
рельефа
11
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Оптический спиновый клапан с магнитостатическим
однонаправленным сдвигом петли гистерезиса
Положения двух доменных границ внутри квадратного элемента и
мостика: слева – в нулевом поле, справа – в насыщающем поле.
12
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
13
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
14
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
15
ИП
ПМ
Учреждение Российской академии наук
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
Резюме
Предложен новый подход к решению проблемы обнаружения локализованных источников
магнитного поля, в котором высокая чувствительность достигается за счет реализации
феррозондового режима возбуждения высокочувствительных элементов (мостиков с
уединенной доменной границей), имеющих микронные размеры, и оптической регистрации
магнитного состояния сенсора с помощью эффекта Фарадея в одноосной Bi-содержащей
феррит-гранатовой пленке.
Специальная форма элемента обеспечивает ступенчатую характеристику перемагничивания с
полем насыщения меньшим, чем для традиционных сенсоров и пространственным
разрешением ~ 10 mcm и менее.
Отсутствие макроскопических деталей в конструкции (катушек, проводов, криостата или
нагреваемого контейнера) позволяет располагать чувствительный элемент непосредственно в
микроканале биочипа, что обеспечивает достаточную интенсивность магнитного поля
рассеяния наночастицы для регистрации сенсором.
Благодаря высокому фарадеевскому вращению и низкому полю переключения гранатовые
элементы в двухдоменном состоянии представляются перспективной основой для построения
сенсоров магнитных наночастиц и слабых локализованных токов в тканях живых организмов.
16