Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) 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» 1

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 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

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) 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 (~ Э), сверхчувствительные магнитометры (~ 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 > ориентированных наночастиц NP 100х100х100 нм, 4πM ~1000 Гс 3

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ Суммарный сигнал сердечников отсутствует при отсутствии внешнего поля Появляется разностный сигнал на двойной частоте, средняя величина пропорциональна внешнему полю сигнал возбуждение H ex /H m Во внешнем поле фазы сигналов сердечников смещаются в противоположных направлениях t HmHm HmHm H ex Алгоритм измерения магнитного поля с помощью феррозонда 4

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ Общая схема магнитооптического феррозонда над микроканалом Al mirror & exciting current light source photodiode liquid flow microchannel magnetic NP 5

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ 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 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

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ 7

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ 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. H = - 2 Э H = 1 Э H = 2 Э H = 0 H = 2Э 9

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ 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 H ex = 1,5 Э H ex = 2,5 Э Ожидаемая полевая чувствительность H min ~ Э, соответствующая обнаружительная способность магнитного момента наночастиц H min *D 3 ~ 10 6 Гс·нм 3 (4πМ ~ 1000 Гс) 10

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ Переключение мостиков с различной компенсацией магнитостатического рельефа 11

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ 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 наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ 13

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ 14

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ 15

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ РАН (ИППМ РАН) ИП ПМ 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