Erfolgreicher Einsatz von PTB Nano-SQUIDs für Raster-SQUID Mikroskopie.

21.11.2013

In der PTB hergestellte Nano-SQUIDs wurden in einer Kooperation mit den Universitäten Tübingen und Basel in einen multifunktionalen Sensor integriert. Der Sensor mit dem Nano-SQUID und einem Ni-Nanotube wurde zur Charakterisierung von magnetischen Nanoteilchen verwendet. In Zukunft kann diese Technologie für grundlegende Studien auf dem Gebiet des Nanomagnetismus (z.B. Anwendungen für magnetische Datenspeicher) eingesetzt werden.

Im Reinraumzentrum der PTB wurden auf der Basis von SNS Josephson-Kontakten (S: Supraleiter, N; Normalleiter) Nano-SQUIDs hergestellt, wobei HfTi als normalleitende Barriere verwendet wurde. Der hierfür an der PTB optimierte Fabrikationsprozess umfasst den Einsatz der Elektronenstrahllithographie und des chemisch-mechanischen Polierens (CMP) als Kerntechnologien. Dadurch können Josephson-Kontakte mit Abmessungen unter 100 nm und SQUID-Schleifen von ca. 200 nm Kantenlänge realisiert werden. In den neuesten SQUIDs wurde die SQUID-Schleife senkrecht zur Chip-Oberfläche gefertigt, was eine weitere Miniaturisierung ermöglicht.

Die auf einem 3D-Piezo-Positioniersystem untergebrachten SQUIDs wurden mit einem Ni-Nanotube, das auf einem Si-Cantilever mit optischer Auslesung installiert war, in einer Kooperation an den Universitäten Tübingen und Basel untersucht (Bild 1). Mit diesem Tieftemperatur-Raster-SQUID-Mikroskop konnten u.a. Abrikosov-Vortizes in Nb-Schichten direkt dargestellt werden. Die exzellenten Eigenschaften der SQUIDs mit seinem extrem geringen Flussrauschen (220 nΦ₀/Hz^1/2) trugen entscheidend zu der sehr hohen Ortsauflösung des Sensors bei. Die Ergebnisse sind im Detail in zwei Veröffentlichungen dargestellt [1,2].

[1] J. Nagel et al., “Nanoscale multifunctional sensor formed by a Ni nanotube and a scanning Nb nanoSQUID”, Physical Review B, vol. 88, 064425, 2013.

[2] A. Buchter et al., “Reversal Mechanism of an Individual Ni Nanotube Simultaneously Studied by Torque and SQUID Magnetometry”, Physical Review Letters, vol. 111, 067202, 2013.

Bild 1: Skizze des experimentellen Aufbaus (a). Oben rechts ist die vergrößerte Darstellung gezeigt. Die gepunktete Linie kennzeichnet die Position der SQUID-Schleife senkrecht zur Oberfläche. Darstellung der Ergebnisse der gleichzeitig erfolgten Messung von Δf(x,y) (b) und Φ(x,y) (c) für einen Abstand von z = 280 nm (H = 0). In den Graustufen-Darstellungen variiert Δf von -170…430 Hz und Φ von ‑ 0,08…0,08 Φ₀. Die gepunktete Linie zeigt den T-förmigen SQUID, der rote Punkt kennzeichnet die Arbeitsposition ([2] - Copyright (2013) by the American Physical Society).

Ansprechpartner: O. Kieler
Fachbereich 2.4: Quantenelektronik