Учреждение Российской академии наук

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ “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»

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 253901 2005In situ detection of single micron-sized magnetic beads using magnetictunnel junction sensorsWeifengShen, Xiaoyong Liu, DipanjanMazumdar, 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

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ 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 наночастицсверхчувствительных 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

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) сигнал возбуждение Суммарный сигнал сердечников отсутствует при отсутствии внешнего поля Hm t Hm Hex/Hm Hex Во внешнем поле фазы сигналов сердечников смещаются в противоположных направлениях Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ Появляется разностный сигнал на двойной частоте, средняя величина пропорциональна внешнему полю Алгоритм измерения магнитного поля с помощью феррозонда

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ Общая схема магнитооптического феррозонда над микроканалом photodiode light source liquid flow Al mirror & exciting current magnetic NP microchannel

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ Основные предпосылки для создания феррозондового сенсора с высоким пространственным разрешением • 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 феррит- • гранатовой пленки с перпендикулярной анизотропией. • Поскольку размер чувствительного элемента D ~ 10 мкмпревышает ширину доменной границы δ ~ 50 нм в материалах с высокой одноосной анизотропией, объем элемента может быть разделен на два устойчивых домена. • 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.

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ • Собственное поле элемента в центре доменной границыи магнитостатическая энергия элемента • (D = 40 mcm, DW length L = 20 mcm): • прямоугольник, • мостик между двумя полуплоскостями, • гибридный элемент.

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ Экспериментальные фотографии положения доменной границы в критических точках и петли гистерезиса :a – для матрицы квадратных элементов40x40 mcm, b – для прямоугольных мостиков 40x120 mcm and 10x120 mcm. Garnet magnetization M = 50 Gauss, thickness h = 3 mcm. H = - 2ЭH = 1ЭH = 2 Э H = 0 H = 2Э

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ 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 = 2,5Э Ожидаемая полевая чувствительностьHmin~10-6 Э, соответствующая обнаружительная способность магнитного момента наночастиц Hmin*D3~ 106Гс·нм3 (4πМ ~ 1000 Гс)

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ Переключение мостиков с различной компенсацией магнитостатического рельефа

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ 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.

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) Р о с с и й с к а я а к а д е м и я н а у к * ИП ПМ 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.

Учреждение Российской академии наук

Учреждение Российской академии наук

Presentation Transcript