Учреждение Российской академии наук
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
“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
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)ИП
ПМ APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 253901 2005In situ detection of single micron-sized magnetic beads using magnetic
tunnel junction sensorsWeifeng 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
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
Цель: обнаружение свободно перемещающихся одиночных наноразмерных магнитных объектов в микроканалахГлавная 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 наночастицТрадиционные феррозонды > 10 000 ориентированных наночастиц NP 100х100х100 нм, 4πM ~1000 Гс
3
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
Суммарный сигнал сердечников отсутствует при отсутствии внешнего поля
Появляется разностный сигнал на двойной частоте, средняя величина пропорциональна внешнему полю
сигнал возбуждение
Hex/Hm
Во внешнем поле фазы сигналов сердечников смещаются в противоположных направлениях
t
Hm
Hm
Hex
Алгоритм измерения магнитного поля с помощью феррозонда
4
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
Общая схема магнитооптического феррозонда над микроканалом
Al mirror & exciting current
light source photodiode
liquid flow
microchannelmagnetic NP
5
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)ИП
ПМ
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 феррит- гранатовой 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.
Основные предпосылки для создания феррозондового сенсора с высоким пространственным разрешением
Проблемы1. Рост коэрцитивной силы и падение подвижности доменной границы при компенсации намагниченности феррит-граната.2. Стабильность петли гистерезиса и устойчивость двухдоменного состояния элемента.
6
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
7
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
-0,003
-0,002
-0,001
0
0,001
0,002
0,003
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Domain wall position, mcm
Mag
neto
stat
ic f
ield
at
DW
ce
nter
, Mh/
4p
1
2
3
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Domain wall position Х, mcm
Mag
neto
stat
ic e
nerg
y a.
u.
2
1
3
x
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 наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
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.
-1
-0,5
0
0,5
1
-2,4 -1,8 -1,2 -0,6 0 0,6 1,2 1,8 2,4
External field H, Oe
Ele
men
t m
agn
etiz
atio
n, r
.u.
a
b
H = - 2 Э H = 1 Э H = 2 Э
H = 0 H = 2Э
9
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)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 = 2,5 Э
Ожидаемая полевая чувствительность Hmin ~ 10-6 Э, соответствующая
обнаружительная способностьмагнитного момента наночастиц Hmin*D3 ~ 106 Гс·нм3 (4πМ ~ 1000 Гс) 10
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
Переключение мостиков с различной компенсацией магнитостатического рельефа
11
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
Положения двух доменных границ внутри квадратного элемента и мостика: слева – в нулевом поле, справа – в насыщающем поле.
Оптический спиновый клапан с магнитостатическим однонаправленным сдвигом петли гистерезиса
12
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
13
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
14
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
15
Учреждение Российской академии наукИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН)
ИППМ
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.
Резюме
16