Magnetostriktive Multilagen für magnetoelektrische Sensoren - Schichtaufbau und Domänen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jeffrey McCord; Dr. Dirk Meyners
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269913640

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Gegenstand des Projektes war die Erforschung der magnetostriktiven Phase magnetoelektrischer (ME) Komposite mit einer 2-2 Lagenstruktur, die als hochempfindliche Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. Der Fokus lag auf der Herstellung magnetostriktiver Multilagen mit hoher magnetischer Suszeptibilität und auf der Untersuchung und Kontrolle der relevanten magnetischen Domänenprozesse mit dem Ziel, den magnetischen Rauschbeitrag zum Sensorrauschen zu minimieren. Im Rahmen des Projektes wurde ein Schlüsselexperiment realisiert, welches die in-operando Abbildung der magnetischen Prozesse während des ME Sensorbetriebs erlaubt. Unter Nutzung des MO Voigteffekts ist nun die direkte Korrelation des magnetischen Domänenverhaltens mit dem ME Verhalten möglich. Die so an Modellsystemen und Sensorstrukturen erhaltenen Erkenntnisse sind zur Entwicklung magnetischer Multilagen mit verbesserten Eigenschaften genutzt worden. Mit der zeitaufgelösten MO Mikroskopie konnte auch die piezoelektrische Anregung der magnetostriktiven Schicht in elektrisch modulierten ME Sensoren untersucht werden. Ein Konzept zur Verringerung magnetischer Rauschbeiträge insbesondere bei Anwesenheit großer magnetischer Modulationsfelder (magnetische Frequenzumsetzung) sah vor, austauschgekoppelte Multilagen mit paarweise magnetisch antiparallel ausgerichteten Einzellagen zu verwenden. Unter Nutzung der Dickenabhängigkeit der Blockingtemperatur antiferromagnetischer MnIr-Schichten und durch Entwicklung eines zweistufigen Tempervorgangs konnte die gewünschte antiparallele Magnetisierungsausrichtung mit stark reduzierter Domänenaktivität erzielt werden. Der angestellte Vergleich von ME Sensoren mit einfachen FeCoSiB-Schichten und austauschgekoppelten FeCoSiB-Multilagen als magnetostriktive Phase zeigte, dass insbesondere das Detektionslimit für niedrige Signalfrequenzen um eine Größenordnung (z.B. auf < 200 pT/Hz0.5 für 10 Hz) verbessert werden konnte. Die neuen Konzepte für magnetostriktive Multilagen werden im Rahmen des SFB1261 weiterverfolgt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Exchange biased magnetoelectric composites for magnetic field sensor application by frequency conversion, Journal of Applied Physics 117, 17B513 (2015)
  V. Röbisch, E. Yarar, N. O. Urs , I. Teliban, R. Knöchel, J. McCord, E. Quandt, D. Meyners
  
• Phase modulated magnetoelectric delta-E effect sensor for sub-nano tesla magnetic fields. Applied Physics Letters, 107(15), 152402 (2015)
  S. Zabel, C. Kirchhof, E. Yarar, D. Meyners, E. Quandt, F. Faupel
  
• Progress in magnetic domain observation by advanced magneto-optical microscopy (Topical Review), Journal of Physics D: Applied Physics 48, 333001 (2015)
  J. McCord
  
• Advanced magneto-optical microscopy: Imaging from picoseconds to centimeters - imaging spin waves and temperature distributions, AIP Advances 6, 055605 (2016)
  N.O. Urs, B. Mozooni, P. Mazalski, M. Kustov, P. Hayes, S. Deldar, E. Quandt, J. McCord
  
• Comparison of reference sensors for noise cancellation of magnetoelectric sensors. In SENSORS, 2016 IEEE (pp. 1-3). IEEE
  J. Reermann, C. Bald, S. Salzer, P. Durdaut, A. Piorra, D. Meyners, E. Quandt, M. Höft, G. Schmidt
  
• Domain structure and reorientation in CoFe2O4, Phys. Rev. B 93, 195427 (2016)
  M. Abes, C. T. Koops, S. B. Hrkac, J. McCord, N. O. Urs, N. Wolff, L. Kienle, W. J. Ren, L. Bouchenoire, B. M. Murphy, O. M. Magnussen
  
• Electrically modulated magnetoelectric sensors. Applied Physics Letters, 108(18), 182902 (2016)
  P. Hayes, S. Salzer, J. Reermann, E. Yarar, V. Röbisch, A. Piorra, D. Meyners, M. Höft, R. Knöchel, G. Schmidt, E. Quandt
  
• Improved Magnetic Frequency Conversion Approach for Magnetoelectric Sensors, IEEE Sensor Letters 1, 2500104 (2017)
  P. Durdaut, S. Salzer, J. Reermann, V. Robisch, J. McCord, D. Meyners, E. Quandt, G. Schmidt, R. Knöchel, M. Höft
  
• Pushing the detection limit of thin film magnetoelectric heterostructures, Journal of Materials Research 1-11 (2017)
  V. Röbisch, S. Salzer, N. Urs, J. Reermann, E. Yarar, A. Piorra, C. Kirchhof, E. Lage, M. Höft, G. Schmidt, R. Knöchel, J. McCord, E. Quandt, D. Meyners
  
• Thermal-mechanical noise in resonant thin-film magnetoelectric sensors. IEEE Sensors Journal, 17(8), 2338-2348 (2017)
  P. Durdaut, S. Salzer, J. Reermann, V. Röbisch, P. Hayes, A. Piorra, D. Meyners, E. Quandt, G. Schmidt, R. Knöchel, M. Höft