Учреждение Российской академии наук

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


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


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


ИППМ

Общая схема магнитооптического феррозонда над микроканалом

Al mirror & exciting current

light source photodiode

liquid flow

microchannelmagnetic NP

5


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


ИППМ

7


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


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


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


ИППМ

Переключение мостиков с различной компенсацией магнитостатического рельефа

11


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


ИППМ

13


ИППМ

14


ИППМ

15


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

Учреждение Российской академии наук

Documents