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L. Breth:
"Detektion von kleinen Magnetfeldern: TMR Fluxgate - Sensortechnologie und ihre Limits / Detection of weak magnetic fields: The TMR-Fluxgate sensing technology and its limits";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): D. Süss, H. Brueckel; Institut für Festkörperphysik (E138), 2016.

Tunnelmagnetowiderstandstands-Sensoren (tunneling magnetoresistance - TMR) findet man sich heute in einer Reihe technischer Anwendungen, wobei Leseköpfe in modernen Festplattenlaufwerken das wohl prominenteste Beispiel darstellen. TMR-Sensoren bestehen aus einem Stapel dünner Schichten magnetischer und nicht-magnetischer Materialien, wobei der magnetische Tunnelkontakt selbst aus zwei magnetischen Schichten aufgebaut ist, die durch eine isolierende Schicht von nur einigen Nanometern voneinander getrennt sind. TMR-Sensoren weisen einen hohen Magnetowiderstandseffekt auf, ihr Widerstand ist also für die parallele Ausrichtung der Magnetisierungen in den beiden Schichten deutlich niedriger als für antiparallele Ausrichtung. Zur Zeit ist es leider nicht möglich, sehr schwache Magnetfelder im niederfrequenten Bereich mit konventionellen TMR-Sensoren zu messen, da diese ausgeprägtes intrinsisches 1/f-Rauschen aufweisen. Dieser Umstand verhindert aktuell, dass TMR-Sensoren - trotz ihrer erwiesenen Tauglichkeit für kostengünstige Massenproduktion - für biomedizinische Anwendungen eingesetzt werden können, da hier Detektivitäten von nur einigen Pico-Tesla/Hz^0.5 erforderlich sind. Aus diesem Grund ist dieser Markt von SQUID-Sensoren (Superconducting Quantum Interference Devices - SQUID) beherrscht, welche allerdings technisch aufwändige Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder sogar Helium für ihre Funktionsweise benötigen. In dieser Arbeit wird eine neuartige Sensortechnologie im Hinblick auf ihre Fähigkeit untersucht, schwache Magnetfelder im Pico-Tesla-Bereich zu messen. Sie basiert auf einem magnetischen Tunnelkontakt, welcher nach dem Prinzip des Fluxgate-Magnetometers betrieben wird, indem zusätzlich zum zu messenden Feld ein magnetisches Wechselfeld angelegt wird, welches den Kontakt periodisch inSättigung treibt. Der Umfang dieser Arbeit umfasst die Herstellung mikrostrukturierter TMR-Fluxgate-Sensoren durch Sputterdeposition und Standardmethoden der optischen Lithographie sowie den Aufbau eines Messsystems, um die Funktionsweise des Fluxgate-Messprinzips an einem magnetischen Tunnelkontakt zu verifizieren. Mittels der Messung der zweiten Harmonischen der Tunnelkontaktspannung mit einem Lock-In-Verstärker wurden Sensorkennlinien aufgezeichnet. Es konnte bei der Untersuchung des Signals des periodisch schaltenden magnetischen Tunnelkontaktes im Zeitbereich festgestellt werden, dass sich das Schaltverhalten bei Anlegen eines kleinen Stabilisierungsfeldes entlang der harten Achse deutlich verbesserte und das Rauschniveau im Vergleich zum Betrieb ohne Stabilisierungsfeld herabgesetzt werden konnte. Um das Detektionslimit der TMR-Fluxgate-Sensortechnologie abzuschätzen, wurde ein theoretisches Modell entwickelt, welches sich auf das thermisch aktivierte Schalten über Energiebarrieren von Eindomänen-Teilchen mit uniaxialer Anisotropie stützt. Dadurch wird das periodische Ummagnetisieren der freien Schicht im magnetischen Tunnelkontakt beschrieben. Thermische Fluktuationen sind ein wesentlicher Grund für die Abhängigkeit des Koerzitivfeldes von der Feldrate und es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass dies zu der Entstehung einer statistischen Verteilung von Schaltfeldern führt, wenn mehrere Schaltzyklen beobachtet werden. Diese Schaltfeldverteilung wurde analytisch abgeleitet durch Lösen der Master-Gleichung für die zeitliche Entwicklung der Schaltwahrscheinlichkeit des Teilchens, wenn ein der aktuellen Magnetisierung entgegengesetztes Feld entlang der leichten Achse angelegt wird. Darüberhinaus wurde eine Monte-Carlo-Simulation programmiert, mit welcher eine Schaltfeldverteilung in Übereinstimmungmit dem analytischen Ergebnis erzeugt werden konnte. Die Simulation wurde auch genutzt, um das TMR-Fluxgate-Sensorsignal im Zeitbereich zu erzeugen. Durch gemeinsame Auswertung der Simulationsergebnisse und der experimentellen Daten mithilfe digitaler Signalverarbeitungsmethoden konnte ein unteres Limit für die Detektivität der getesteten Sensoren in der Größenordnung von 100 nT/Hz^0.5 ermittelt werden.

Tunneling magnetoresistance (TMR) sensors are nowadays widely used in applications such as read heads in modern hard disk drives, which is probably the most prominent example. TMR sensors consist of a thin film sandwich of magnetic and non-magnetic materials, in which the active junction region - the magnetic tunnel junction (MTJ) - is formed by two magnetic layers separated by an insulating barrier of only a few nanometers. TMR sensors have a large magnetoresistance effect, which means that their resistance is considerably lower when the magnetizations of the two layers in the MTJ are aligned parallel as compared to the antiparallel state. Unfortunately, at present conventional TMR sensors lack the capability to detect very weak magnetic fields in the low frequency range because of their intrinsic 1/f-noise. This prevents TMR sensors, despite their compatibility with cheap mass production processes, from being used in biomedical applications such as magnetocardiography, where detectivities of only several pico-Tesla/Hz^0.5 are required. Hence, this market is dominated by sensors based on Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs), which need sophisticated cooling technology with liquid nitrogen or helium for their operation. In this thesis, a novel sensing technology based on a MTJ and the measurement technique of the fluxgate magnetometer is investigated with regard to its ability to detect weak magnetic fields in the pico-Tesla range. Additionally to the field to be measured, an alternating magnetic field is applied to the MTJ, so that it is periodically driven to saturation. The scope of the thesis covers the fabrication of microstructured TMR-fluxgate sensors using thin film sputter deposition and standard photolithographic patterning methods as well as the design of a measurement setup to test theoperation of the fluxgate measurement principle on a MTJ. Sensor characteristics were measured by detecting the second-harmonic voltage with a lock-in amplifier. By investigating the time-domain switching signal of the MTJ it was found that a small bias field applied along the hard axis stabilized the switching and led to a reduced noise level as compared to switching along the easy axis without a bias field. To estimate the detection limit of the TMR fluxgate sensing technology a theoretical model was developed, which is based on the thermally activated switching of a single domain particle with uniaxial anisotropy over an energy barrier. This represents the periodic reversal of the free layer of the MTJ. Thermal fluctuations are a known reason for the field rate dependence of the coercivity of magnetic materials and it is shown in this work that this leads to a distribution of switching fields, when several switching cycles are observed. The switching field distribution was derived analytically by solving the master equation for the time evolution of the switching probability, when an opposing easy axis field is applied. Furthermore, a Monte Carlo simulation was programmed, which yielded a switching field distribution that coincides well with the analytical model and was also used to simulate the TMR fluxgate time domain signal. By evaluating the simulation data together with experimental time domain data using digital signal processing techniques, a lower limit for the detectivity in the order of 100 nT/Hz^0.5 was found.