Miniaturized magnetostrictive strain sensors for novel applications of atomic force microscopy
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes sind selbstdetektierende Biegebalken für den Einsatz in der Rasterkraftmikroskopie entwickelt worden. Dabei wird die Auslenkung der Biegebalken von miniaturisierten Dehnungssensoren aufgenommen, die vermittels eines mikrosystemtechnischen Herstellungsprozesses in die Cantilever integriert wurden. Die Dehungssensoren nutzen die inverse Magnetostriktion und den Tunnelmagnetowiderstand-Effekt. Im Zuge des Projektes konnte durch eine Verbesserung des Sensorschichtsystems die Empfindlichkeit der Dehnungssensoren auf GF = 2150 (GF: Gauge Factor = relative Widerstandsänderung pro Dehnung) gesteigert werden. Dieser in Anwesenheit eines konstanten, magnetischen Biasfeldes gefundene Wert übertrifft die Empfindlichkeit herkömmlicher piezoresistiver Sensoren um ein Vielfaches. Modellierung und mikromagnetische Simulationen der Magnetisierungsprozesse in der magnetostriktiven Sensorelektrode wurden durchgeführt, um das Verständnis des Dehnungssensorverhaltens zu fördern. Es wurden Sensorkonzepte realisiert, die eine hohe Empfindlichkeit und rasterkraftmikroskopische Experimente auch ohne magnetisches Biasfeld ermöglichen. Weiterhin wurden Schichtsysteme mit bipolarem GF ohne externes Biasfeld entwickelt. Hierzu wurden doppelt gepinnte Sensoren verwendet, die durch Einbau von künstlichen Antiferromagneten und durch Anwendung eines neuartigen zweistufigen Auslagerungsprozesses mit orthogonalen Magnetfeldern einen nicht kollinearen, magnetischen Grundzustand aufweisen. Sowohl Druck- als auch Zugspannungen konnten mit vergleichbarer Sensitivität eindeutig detektiert werden. Die maximale Empfindlichkeit entsprach einem Gauge-Faktor von GF = 390. Zur weiteren Erhöhung der Sensitivität wurde die effektive unidirektionale Anisotropie in der Sensorschicht weiter reduziert. Die zugehörigen Stressmessungen werden Anfang 2018 das Projekt abrunden und in eine abschließende Publikation einfließen. Die AFM-Cantilever mit den selbstdetektierenden TMR-Sensoren wurden erfolgreich an verschiedenen Proben und Umgebungsbedingungen getestet. Ihre Sensitivität ist besser oder mindestens so hoch wie bei einem AFM mit Lichtzeigerdetektion. Atomare Stufenkanten können erfolgreich aufgelöst werden. Weiterhin können Oberschwingungen des Federbalkens wesentlich besser detektiert werden. Dies ist insbesondere für den Multifrequency- Mode von Interesse. Die entwickelten selbstdetektierenden Biegebalken mit TMR-Sensoren haben großes Potenzial für eine kommerzielle Verwendung als Sonden in der Rasterkraftmikroskopie. Durch ein kompaktes Design der Rasterkraftmikroskope und die Nutzerfreundlichkeit könnten sie sehr einfach in kommerzielle Systeme integriert werden.
Publications
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(2014): Magnetoresistive and Thermoresistive Scanning Probe Microscopy with Applications in Micro- and Nanotechnology (Karlsruher Institut für Technology)
T. Meier
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A scanning probe microscopy for magnetoresistive cantilevers utilizing a nested scanner design for large-area scans. Beilstein Journal of Nanotechnology 6, 451 (2015)
T. Meier, A. Förste, A. Tavassolizadeh, K. Rott, D. Meyners, R. Gröger, G. Reiss, E. Quandt, Th. Schimmel, H. Hölscher
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Highly strainsensitive magnetostrictive tunnel magnetoresistance junctions. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 384, 308-313 (2015)
A. Tavassolizadeh, P. Hayes, K. Rott, G. Reiss, E. Quandt, D. Meyners
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(2016): Miniaturized Tunnel Magnetoresistance Sensors for Novel Applications of Atomic Force Microscopy (Christian-Albrechts Universität Kiel)
A. Tavassolizadeh
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Tailored probes for atomic force microscopy fabricated by two-photon polymerization. Applied Physics Letters 106, 063101 (2016)
Gerald Göring, Philipp-Immanuel Dietrich, Matthias Blaicher, Swati Sharma, Jan G. Korvink, Thomas Schimmel, Christian Koos, Hendrik Hölscher
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Tunnel Magnetoresistance Sensors with Magnetostrictive Electrodes: Strain Sensors. Sensors 16, 1902 (2016)
A. Tavassolizadeh, K. Rott, T. Meier, E. Quandt, H. Hölscher, G. Reiss, D. Meyners
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Sensors for mechanical stress based on inverse magnetostrictive CoFeB/MgO/CoFeB tunnel junctions, Dissertation, Bielefeld, Universität Bielefeld, 2019
N. Dohmeier
