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NanoSQUIDs mit verbesserter Stabilität gegenüber starken Magnetfeldern von bis zu 0,25 T

25.11.2015

Für Untersuchungen von magnetischen Nanopartikeln wurden NanoSQUIDs mit Abmessungen der Josephson-Kontakte von 90 nm x 90 nm (Typ A) und 150 nm x 150 nm (Typ B) mit einem geringen Kontaktabstand von 100 nm bzw. 60 nm hergestellt und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Magnetfeldresistenz mit sinkenden geometrischen Abmessungen der NanoSQUIDs zunimmt, was für die geplanten Untersuchungen sehr vorteilhaft ist.

 

Die Untersuchung des Magnetisierungszustandes von MNP erfordert Sensoren mit einer hohen räumlichen Auflösung und hoher Spin-Empfindlichkeit im Bereich von wenigen µB / Hz1/2( µB: Bohr-Magneton). Obwohl Supraleitende Quanten-Interferenz Detektoren (SQUIDs) bereits extrem empfindlich sind, müssen sie für diese Aufgabe weiter optimiert werden. Die Optimierung beinhaltet eine Miniaturisierung der kompletten Sensoren (Josephson-Kontakte und Spulen) bis zu Abmessungen um 100 nm. Damit soll auch erreicht werden, dass der kritische Strom Ic des Sensors im starken Magnetfeld des MNPs bzw. in einem externen Ummagnetisierungsfeld stabil bleibt. Die Richtung des Magnetfeldes ist dabei parallel zur Sensorfläche.

Basis der im Rahmen des DFG Projektes „Hochempfindliche NanoSQUIDs zur Detektion kleiner Spin-Systeme“ hergestellten NanoSQUIDs sind intrinsisch geshuntete überdämpfte SNS Josephson-Kontakte mit Nb als Supraleiter und HfTi als Barrierenmaterial. Die Prozessierung erfolgt auf thermisch oxidierten 3-Zoll Si-Wafern. Der auf ausgefeilter Planartechnologie beruhende komplexe Herstellungsprozess wird mittels Elektronenstrahllithographie und chemisch-mechanischem Polieren durchgeführt.

Die hergestellten NanoSQUID Sensoren haben Einkoppelspulen mit Flächen von lediglich ca. 0,02 µm2 (Typ A) bzw.  0,01 µm2 (Typ B). Die Flächen stehen dabei senkrecht zur Waferoberfläche. Die Breite der Leiterbahnen beträgt jeweils 100 nm bzw. 200 nm. Die Bauweise erlaubt eine weitere Reduktion der Spulenfläche und somit eine mögliche Verbesserung im Hinblick auf die Rauscheigenschaften und die Spin-Empfindlichkeit.

Die elektrischen Eigenschaften der NanoSQUIDs werden an der PTB im Rahmen einer gründlichen Vorcharakterisierung im flüssigen Helium (4,2 K) gemessen, wonach die Messungen im Magnetfeld beim DFG Projektpartner an der Universität Tübingen ausgeführt werden. Die vorgestellten Sensoren zeigen eine Magnetfeldstabilität von bis zu 0,25 T (Typ A) bzw. 0,15 T (Typ B). Im weiteren Verlauf ist in Kooperation mit dem Projektpartner in Tübingen geplant, die Rauscheigenschaften und die Spin-Empfindlichkeit dieser NanoSQUIDs zu untersuchen. Es werden Rauschwerte erwartet, die deutlich unter 100 nΦ0 / Hz1/2 liegen, was einer Spin-Empfindlichkeit von wenigen µB / Hz1/2 entspräche.

 

Bild 1: REM Bild eines NanoSQUID Sensors des Typs A basierend auf HfTi SNS-Kontakten.

 

Bild 2: Kritische Stromstärke Ic in Abhängigkeit der Flussdichte eines externen Magnetfeldes Bext.