Logo PTB
Symbolbild "Zeitschriften"

PTB-Nano-SQUIDs im Einsatz

Besonders interessant für:
  • Grundlagenforschung
  • Hersteller von Magnetspeichern und Magnetsensoren

In einer Kooperation mit der Universität Tübingen wurden Nano-SQUIDs mit Josephson-Kontaktabmessungen unterhalb von 100 nm entwickelt. Sie wurden in einen multifunktionalen Rastersensor der Universität Basel integriert, mit dem erfolgreiche Messungen an magnetischen Nanostrukturen durchgeführt werden konnten. Dies eröffnet neue grundlegende Untersuchungsmethoden auf dem Gebiet des Nanomagnetismus, beispielweise für die Magnetspeichertechnologie.

Für Untersuchungen an kleinen Spin- Systemen wie etwa an Molekülen oder kalten Atomwolken, Nanopartikeln, Atomen oder gar an einzelnen Elektronen wird es immer wichtiger, die Eigenschaften nanometerkleiner magnetischer Strukturen zu messen. SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) als empfindlichste Magnetfeldsensoren sind dafür besonders prädestiniert. Ihre Funktion beruht auf Effekten der Supraleitung in Josephson-Tunnelkontakten.

Die in einer Kooperation zwischen der Universität Tübingen und der PTB entwickelten Nano-SQUIDs können zur Magnetfeldmessung mit einer lateralen Ortsauflösung unterhalb von einhundert Nanometern eingesetzt werden. Für ihre Herstellung wurde in der PTB ein Technologie-Prozess entwickelt und optimiert, der es erlaubt, kleinste Josephson- Kontakte aus einer komplexen Schichtenfolge aus Niob (Supraleiter) und HfTi (Normalleiter) herzustellen. Dabei kommen modernste Dünnschichtverfahren, Elektronenstrahl-Lithografie und chemisch-mechanisches Polieren zum Einsatz. Die Kontaktflächen der ersten Generation so hergestellter Nano- SQUIDs betrugen 200 nm × 200 nm, die laterale Abmessung der Detektorschleife lediglich 500 nm. Bereits in ersten Testmessungen im DC-Gradiometerbetrieb konnten hervorragende elektrische Eigenschaften nachgewiesen werden. Das magnetische Flussrauschen der Nano-SQUIDs lag bei nur etwa 250 nΦ0/√Hz. Zudem können die Detektoren bei vergleichsweise hohen Magnetfeldern von bis zu 500 mT eingesetzt werden.

Durch weitere Prozessoptimierung konnten weitere Verkleinerungen der Josephson-Kontaktf lächen auf 90 nm × 90 nm und der SQUID-Detektorschleife auf 250 nm erreicht werden. Das Flussrauschen wurde dabei auf 200 nΦ0/√Hz verringert und die magnetische Ankopplung an zu untersuchende Strukturen deutlich verbessert, sodass eine extrem geringe Spin-Empfindlichkeit von nur 23 μB/√Hz erzielt werden konnte. Außerdem gelang es bei dieser neuesten Generation der Nano-SQUIDs, Detektorschleifen herzustellen, die senkrecht zur Chipfläche der Sensoren ausgerichtet sind, was eine weitere Miniaturisierung und somit Erhöhung der Ortsauflösung ermöglicht.

Die Nano-SQUIDS wurden in einen Prototyp eines Tieftemperatur-Raster- SQUID-Mikroskops an der Universität Basel integriert. Damit wurden Nickel- Nanoröhrchen bereits erfolgreich magnetometrisch vermessen.

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Buchter et al.: Reversal mechanism of an individual Ni nanotube simultaneously studied by torque and SQUID magnetometry. Phys. Rev. Lett. 111, 067202 (2013)