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Nano-Hallsensoren für quantitative Raster-Magnetfeldmikroskopie

20.11.2018

In der PTB werden Hall-Sensoren mit minimalen aktiven Flächen von 50 x 50 nm² entwickelt, die zukünftig in Rastersondenmikroskopen genutzt werden können. Auf diese Weise soll eine Ortsauflösung bis 100 nm und eine Feldauflösung besser als 2 mT erreicht werden.

 

 

Raster-Hall-Magnetfeldmikroskopie ist ein wichtiges Werkzeug zur Charakterisierung mikrostrukturierter magnetischer Proben. Ein konkretes Anwendungsbeispiel sind magnetische Maßstäbe, die in industriellen Prozessen zur Positionierung verwendet werden und deren magnetisches Streufeld präzise vermessen werden muss. Derartige Maßstäbe werden im Rahmen des Trends zur Miniaturisierung immer kleiner, jedoch werden die Streufelder auf der Nanometerskala stark inhomogen. Um die Streufelder derartiger Strukturen rückgeführt vermessen zu können, werden aktuell neue Verfahren entwickelt.

Ein erfolgversprechender Ansatz ist dabei die Raster-Magnetfeldmikroskopie mit nano-Hallsensoren. Dabei wird ein nano-strukturierter Hallsensor über die Oberfläche der magnetischen Probe gerastert und so das Streufeld ortsaufgelöst gemessen. Die erreichbare Ortsauflösung der Messung ist dabei durch die Größe des Hallsensors begrenzt. Für diese Anwendung wurden nun an der PTB nanostrukturierte Hallsensoren aus Gold sowie aus Graphen gefertigt und charakterisiert. Die kleinsten Sensoren weisen Sensorflächen von bis zu 50 nm x 50 nm auf und ermöglichen so eine sehr hohe Ortauflösung. Basierend auf den bisherigen Kalibriermessungen sind mit optimierten Sensoren Feldauflösungen bis zu 0,5 mT möglich.

In Zusammenarbeit mit dem CEA, einem französischen Forschungszentrum, wurden zudem derartige Hallsensoren auf speziellen Chips hergestellt, die den Einsatz in kommerziellen Rastermikroskopen ermöglichen.  Damit sollen in Zukunft die Streufelder verschiedener mikro- und nano-strukturierter Materialien untersucht und vermessen werden.

 

Rasterelektronenmikroskop-Bild/Schematische Darstellung Raster-Magnetfeldmikroskops

Oben: Mikroskop- bzw. Rasterelektronenmikroskop-Bild eines Gold-Hall-Sensors mit einer Kantenlänge von 50 nm auf einem Chip mit einem Biegebalken als Abstandssensor, dem sogenannten Cantilever.
Unten links:
Beispielhafte Kalibriermessung eines Graphen-Hall-Sensors.
Unten rechts:
Schematische Darstellung eines Raster-Magnetfeldmikroskops