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3D-Vektor-nanoSQUID Detektor für die räumliche Erfassung des magnetischen Moments von Nanoteilchen

29.11.2016

Eine vollständige Untersuchung von magnetischen Nanoteilchen erfordert hochempfindliche, dreidimensionale Sensormesstechniken. Die Magnetfeldsensoren sollten dabei nicht viel größer als die Objekte selbst sein. Dank der an der PTB vorhandenen Technologie zur Herstellung von NanoSQUIDs auf Basis von überdämpften Josephson-Kontakten wurde die Entwicklung eines kombinierten Detektors möglich.

 

 

 

Magnetische Nanopartikel und Moleküle haben nicht nur kleine Abmessungen, sondern ihre Dipolstreufelder klingen mit dem Abstand auch schnell ab. Daher erfordert die Charakterisierung von Nanoteilchen, deren magnetisches Moment nur wenige µB beträgt, den Einsatz von extrem kleinen, aber dennoch empfindlichen Sensoren, um das Feld möglichst nah am Nanoteilchen messen zu können. SQUIDs sind bis heute die empfindlichsten Sensoren, die auf Änderungen eines millionsten Bruchteils des elementaren Flussquantums Φ0 = h/2e mit einem messbaren Spannungssignal reagieren. Sie eignen sich deshalb am besten für diese Aufgabe.


Im Rahmen des DFG Projekts "NanoSQUID" wurde an der PTB Braunschweig eine auf Nb basierte Technologie für die Herstellung von NanoSQUID Sensoren mit Komponentenabmessungen unter 200 nm optimiert. Auf dieser erfolgreichen Basis entstand in Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner Universität Tübingen der erste Entwurf für ein Design und es erfolgte die erste Realisierung eines 3D-Vektor-nanoSQUID Detektors zur dreidimensionalen Messung des magnetischen Moments von Nanoteilchen. Die Detektoren wurden im Reinraumzentrum der PTB hergestellt.


Die Detektorarchitektur besteht aus insgesamt drei dc-NanoSQUIDs, zwei Magnetometern und einem Gradiometer, basierend auf SNS Josephson-Kontakten mit der Schichtfolge Nb/HfTi/Nb. Die Magnetometer SQUID-Spulen sind senkrecht zur Chipebene und senkrecht zueinander angeordnet. Die Höhe der SQUID-Spulen beträgt ca. 90 nm. Die Gradiometer-Spule liegt in-plane, also parallel zur Chipebene.  Der Abstand der unmittelbar benachbarten NanoSQUIDs beträgt ca. 150 nm und die Breite der Leitungen ist nur ca. 250 nm. Die Josephson Kontakte in jedem einzelnen NanoSQUID haben eine Fläche von ca. (150 x 150) nm2 und einen Abstand von ca. 600 nm zueinander. Die NanoSQUIDs verfügen über eigene Steuerleitungen für die separate Einstellung des Arbeitspunktes und zum Auslesen des Messsignals für die drei Raumkomponenten (x-y-z) des magnetischen Momentes.


Die erste Charakterisierung an der Uni Tübingen bestätigte die hervorragenden Eigenschaften dieses Detektors [1]. Bedingt durch eine leicht asymmetrische Bauweise ergab sich ein minimales Übersprechen zwischen den NanoSQUIDs. Dieser Einfluss soll in einer zweiten 3D-Vektor-nanoSQUID Generation mit einem modifizierten Design minimiert werden.

 

3D-Vektor-NanoSQUID Detektor

Bild: Rasterelektronen-Mikroskop Aufnahme des 3D-Vektor-NanoSQUID Detektors zur räumlichen Vermessung eines Nanoteilchens mit beliebig orientiertem magnetischen Moment.

 

 

[1] M. J. Martinez-Perez, et al., "Three-axis vector nano superconducting quantum interference device", ACS Nano 10 (9), 8308-8315, 2016