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Jan 22, 2024

Intercambio de sensores de campo magnético de ondas acústicas superficiales sesgadas

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8446 (2023) Citar este artículo

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Los compuestos magnetoelásticos que utilizan ondas acústicas superficiales muestran un gran potencial como sensores de campos magnéticos de baja frecuencia y muy baja amplitud. Si bien estos sensores ya brindan un ancho de banda de frecuencia adecuado para la mayoría de las aplicaciones, su detectabilidad ha encontrado su limitación en el ruido de baja frecuencia generado por la película magnetoelástica. Entre otras contribuciones, este ruido está estrechamente relacionado con la actividad de la pared del dominio provocada por la tensión de las ondas acústicas que se propagan a través de la película. Un método exitoso para reducir la presencia de paredes de dominio es acoplar el material ferromagnético con un material antiferromagnético a través de su interfaz y, por lo tanto, inducir un sesgo de intercambio. En este trabajo, demostramos la aplicación de una pila de polarización de intercambio de pines superior que consta de capas ferromagnéticas de (Fe90Co10) 78Si12B10 y Ni81Fe19 acopladas a una capa antiferromagnética Mn80Ir20. El cierre del campo errante y, por lo tanto, la prevención de la formación del dominio del borde magnético se logra mediante una polarización antiparalela de dos pilas de polarización de intercambio consecutivas. La alineación antiparalela establecida de magnetización proporciona estados de dominio único sobre las películas completas. Esto da como resultado una reducción del ruido de fase magnética y, por lo tanto, proporciona límites de detección tan bajos como 28 pT/Hz1/2 a 10 Hz y 10 pT/Hz1/2 a 100 Hz.

Los sensores para la detección de campos magnéticos son componentes esenciales en diferentes áreas, como la industria aeroespacial y de automoción, la navegación, la industria de la seguridad o el diagnóstico médico1. En muchas de estas aplicaciones, las señales medidas se generan artificialmente y la amplitud es un valor de umbral conocido o su orientación angular es de interés2. Por el contrario, en las aplicaciones biomédicas se imponen exigencias muy altas a la detectabilidad, que normalmente presentan campos magnéticos de amplitud muy pequeña y, por lo tanto, requieren un límite de detección (LOD) bajo. David Cohen realizó mediciones magnéticas pioneras de las señales del corazón humano en la década de 1960 utilizando una bobina simple3. Debido a las limitaciones obvias en la resolución espacial y de la señal, más tarde cambió a métodos más sofisticados, aprovechando los dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID)4,5 que estaban surgiendo recientemente. Este nuevo enfoque proporcionó un camino para medir campos magnéticos mínimos. Sin embargo, la búsqueda de alternativas miniaturizadas, económicas y fáciles de usar para los sistemas SQUID ha continuado desde entonces. Se han propuesto diferentes conceptos de sensores alternativos para medir pequeños campos magnéticos variables, como magnetómetros de bombeo óptico6,7, magnetómetros de flujo8,9, sensores basados ​​en efectos magnetorresistivos10,11 o compuestos magnetoeléctricos12,13. Todos ellos tienen sus propias ventajas y desventajas con respecto al límite de detección, ancho de banda de frecuencia, rango de medición, resolución espacial, consumo de energía, vida útil y la necesidad de blindaje magnético. Todos estos criterios y el rendimiento del sistema sensor en su conjunto deben tenerse en cuenta para estimar su verdadera capacidad para el diagnóstico biomagnético14 o las aplicaciones médicas asistidas por campos magnéticos, como el mapeo de nanopartículas magnéticas15, la detección de movimiento activo16 o la localización de electrodos de estimulación cerebral profunda y la orientación rotacional. detección17.

Un sensor de campo magnético basado en ondas acústicas superficiales (SAW) se propuso por primera vez en 197518. Sin embargo, en comparación con otros conceptos de sensor como los sensores magnetorresistivos, solo unos pocos grupos de investigación han considerado este enfoque19,20,21,22. Los sensores de campo magnético SAW han ganado interés recientemente como magnetómetros para campos magnéticos mínimos a través de la combinación de dispositivos de ondas de amor con películas delgadas magnetoestrictivas amorfas23. Su principio de funcionamiento se basa en la generación de ondas acústicas de alta frecuencia sobre un sustrato piezoeléctrico mediante transductores interdigitales (IDT). El uso de cortes específicos de sustratos monocristalinos piezoeléctricos en combinación con una capa guía de menor velocidad de onda acústica conduce a la generación de ondas Love24. Cuanto mayor es la diferencia de propiedades mecánicas entre el sustrato y la capa guía, más fuerte es el confinamiento de la onda acústica en la superficie de la capa guía25. Este confinamiento tiene la ventaja en comparación con otros modos de onda, como las ondas de Rayleigh, de que las influencias en la superficie del sensor tienen un mayor impacto en las ondas acústicas que se propagan. Dichas influencias pueden ser campos magnéticos si los dispositivos SAW están recubiertos con una película magnetoelástica, lo que permite capacidades de detección de campos magnéticos. El principio de detección se basa en el efecto delta-E, que describe el cambio no lineal de módulos elásticos con magnetización en un material magnetoestrictivo debido a la presencia de deformación magnetoestrictiva además de la deformación elástica convencional del material26. El cambio de rigidez efectivo cambia la velocidad de las ondas acústicas y conduce a un cambio de fase de la señal de salida. Este cambio de fase es entonces proporcional a la amplitud del campo magnético medido. Se han propuesto diferentes materiales y diseños SAW27,28, incluso se han demostrado sensores de campo magnético SAW basados ​​únicamente en película delgada en obleas de silicio29. Se pueden alcanzar sensibilidades particularmente altas aplicando películas magnetoestrictivas magnéticamente suaves con una anisotropía magnética bien alineada y con una densidad de energía de anisotropía Ku30 baja. Su gran ancho de banda de frecuencia31 hace que los sensores SAW de línea de retardo también sean prometedores para la localización y detección de orientación rotacional de electrodos de estimulación cerebral profunda implantados17.

En los sensores de campo magnético basados ​​en SAW, se ha identificado que el ruido adicional a bajas frecuencias y bajas potencias de excitación proviene de pérdidas magnéticas, que se pueden expresar como la parte imaginaria \({\mu }_{\mathrm{r}}^{\ mathrm{^{\prime}}\mathrm{^{\prime}}}\) de la permeabilidad compleja32. Estas pérdidas están asociadas con el ruido de fase de parpadeo característico de 1/f y dependen del dominio magnético y la configuración de anisotropía, el campo de polarización magnética HDC y la potencia PSAW (es decir, la tensión que actúa sobre el material magnético) con la que se excita el sensor SAW. Se demostró que existen interacciones complejas y múltiples entre las ondas Love que se propagan y las paredes del dominio dentro de la película magnetostrictiva que dan lugar a posibles fluctuaciones de fase que conducen al ruido33. Además, para diferentes tipos de sensores de campo magnético, como los dispositivos basados ​​en magnetoimpedancia gigante (GMI)34 o magnetorresistencia gigante (GMR)35,36, se demostró que los procesos activados por pared de dominio conducen a ruido de baja frecuencia 1/f. Pueden ocurrir pérdidas adicionales específicamente en sensores basados ​​en SAW debido a resonancias de pared de dominio que están en el rango de frecuencia de los dispositivos SAW típicos37. En general, el ruido de magnetización, o más precisamente, la densidad espectral de potencia de las fluctuaciones de magnetización excitadas térmicamente SM es directamente proporcional a las pérdidas magnéticas efectivas \({\mu }_{\mathrm{r}}^{\mathrm{^{\prime }}\mathrm{^{\prime}}}\) de acuerdo con el teorema de fluctuación-disipación y viene dada por

donde kB es la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta, f la frecuencia de desplazamiento, V el volumen magnético y µ0 la permeabilidad al vacío32,38. Teniendo en cuenta el cambio de magnetización durante la operación SAW, se puede derivar la densidad espectral de potencia más aplicable y medible de las fluctuaciones de fase Sφ, que es

siendo S el cambio de fase con el cambio del campo magnético aplicado, es decir, la sensibilidad del sensor y \({\mu }_{r}^{^{\prime}}\) la parte real de la permeabilidad compleja32.

El ruido de tipo 1/f en los sensores de campo magnético basados ​​en película magnética está significativamente influenciado por las fluctuaciones debidas a los procesos de pared de dominio magnético. Por tanto, es deseable eliminar las paredes de dominio en las películas magnéticas para mejorar el rendimiento de los sensores. Una forma de lograr esto es polarizando un material ferromagnético por un material antiferromagnético acoplado. Este tipo de interacción de intercambio se denomina sesgo de intercambio39. Está asociado con un cambio del bucle de magnetización contra un campo de polarización de intercambio HEB que viene dado por

con la densidad de energía de polarización de intercambio JEB, la magnetización de saturación MS y el espesor de la capa ferromagnética tFM40. Especialmente para los dispositivos espintrónicos como los cabezales de grabación GMR, la polarización de una de las dos capas ferromagnéticas por un antiferromagnético conduce a una gran mejora en el rendimiento del dispositivo a través del aumento de la sensibilidad40,41,42. En GMR, así como en dispositivos de magnetorresistencia de túnel (TMR), la polarización de intercambio se utiliza para fijar una de las capas ferromagnéticas del antiferromagnético sintético43,44. En compuestos magnetoeléctricos (ME), la polarización de intercambio se ha aplicado con éxito para cambiar el máximo del coeficiente magnetoeléctrico al campo cero, eliminando la necesidad de un campo de polarización externo45. Además, la polarización de intercambio de las capas ferromagnéticas se puede utilizar para reducir el ruido magnético en los compuestos ME causado por la nucleación, el movimiento y la aniquilación de la pared del dominio46,47, lo que podría mejorarse aún más mediante una polarización antiparalela de capas consecutivas48. Los únicos dos sistemas de polarización de intercambio aplicados a los dispositivos SAW hasta ahora son Co/MnIr como material IDT49 y CoFeB/MnIr50. en ref. 49 los autores enfatizan la importancia de la histéresis y el estado de magnetización para la operación del sensor. En contraste con el estudio presentado, los sensores con polarización de intercambio se operaron fuera del plano y se dedicaron a la detección de alto campo. En la ref.50, el dispositivo bajo investigación no está destinado a la detección de campos magnéticos. Sin embargo, el objetivo de ambos estudios no era lograr la supresión del ruido.

En sustratos piezoeléctricos, las temperaturas elevadas provocan tensiones uniaxiales en el plano en la película magnetoestrictiva debido a la expansión anisotrópica del sustrato. Este estrés conduce a campos de alta anisotropía HK y, en consecuencia, a una severa reducción del rendimiento del sensor30. Por lo tanto, el sesgo de intercambio en este estudio solo es inducido por un campo magnético externo aplicado durante el crecimiento de la pila de películas y la muestra se gira 180 ° dentro del campo magnético después de la deposición de una pila de una sola capa (SL) para lograr antiparalelo (AP) sesgo cambiario.

En la Fig. 1a se muestra una fotografía y un esquema del dispositivo SAW bajo investigación. Todas las muestras se basan en cuarzo de corte ST con una dirección de propagación de 90° con respecto al eje X cristalográfico, a lo largo del cual se excitan las ondas horizontales de corte24. Los IDT de dedos divididos de Au de 200 nm de espesor constan cada uno de 25 pares de dedos con un ancho de 3,5 µm y un espaciado de 3,5 µm, lo que en total crea una distancia de tono y, por lo tanto, una longitud de onda acústica de λ = 28 µm. Las capas de adhesión de Cr de 8 nm están debajo y encima del Au. La apertura acústica, es decir, la anchura del frente de onda acústica corresponde a 60λ. Los parámetros de dispersión medidos S21 y S12 del sensor bajo investigación después de la adaptación de impedancia se muestran en la Fig. 1b. Está magnéticamente saturado perpendicular a la dirección de propagación SAW. El sensor presenta una frecuencia síncrona de 142,6 MHz y una pérdida de inserción en saturación magnética de − 18,5 dB. Ambos están determinados principalmente por el espesor de la capa guía de SiO2, que en este caso es de 4 µm y las propiedades mecánicas de la capa guía con respecto al sustrato. La pila de polarización de intercambio que consta de dos secuencias de Ta/(Fe90Co10)78Si12B10/Ni81Fe19/Mn80Ir20/Ta se muestra en la Fig. 1c. Aquí, la capa de NiFe sirve como semilla para el MnIr antiferromagnético (ver la sección "Caracterización estructural"). Las capas de FeCoSiB están polarizadas en dirección opuesta, es decir, antiparalelas para lograr el cierre de flujo y, por lo tanto, evitar la formación de dominios de cierre. A medida que la muestra se retira del vacío después del primer paso de deposición, la capa superior de Ta se oxida en el aire. Por lo tanto, para proporcionar adherencia al FeCoSiB del segundo paso de deposición, se deposita una capa adicional de Ta sobre el Ta oxidado. La capa superior de Ta actúa como capa de pasivación para MnIr. Los bucles de magnetización de la pila de polarización de intercambio antiparalelo a lo largo del eje fácil (paralelo a la dirección de propagación) y duro (perpendicular a la dirección de propagación) de magnetización se muestran en la Fig. 1d. El campo magnético durante la deposición también se aplicó 90° al eje X cristalográfico. Se pueden observar desplazamientos antiparalelos del bucle de histéresis del eje fácil correspondientes a campos de polarización de intercambio de µ0HEB,l = 0,5 mT (l para desplazamiento a la izquierda) y µ0HEB,r = − 0,6 mT (r para desplazamiento a la derecha). En comparación con muestras con espesores similares de capas ferromagnéticas y antiferromagnéticas, pero en las que el sesgo de intercambio de clavija inferior fue inducido por recocido en un campo magnético, nuestras muestras muestran una fuerza de sesgo de intercambio aproximadamente cuatro veces menor48. Sin embargo, para el sistema Ni81Fe19/Mn78Ir22 la energía de polarización de intercambio es, según (3), JEB,NiFe = 70 µJ/m251, que es comparable a este sistema con cada pila exhibiendo energías de acoplamiento de JEB,l = 61 µJ/m2 y JEB,r = 73 µJ/m2, respectivamente con MS = 1,45 T. Los campos de coercitividad de las dos ramas del bucle de histéresis son µ0HC,l = 0,27 mT y µ0HC,r = 0,22 mT, respectivamente. Esta única pequeña diferencia en la coercitividad podría explicarse por una ligera inclinación de las anisotropías de las dos capas entre sí. A lo largo del eje duro de magnetización no se observa histéresis medible. Se encuentra que el campo de anisotropía de este sistema en cuarzo de corte ST es µ0Hk = 1,7 mT, que es solo un poco más alto que en FeCoSiB polarizado sin intercambio con 1,5 mT 30 y el campo de anisotropía total, que es la suma de Hk y HEB es µ0Hk,tot = 2,3 mT.

Dispositivo SAW e intercambio de pila de película polarizada. (a) Fotografía de vista superior y esquema del dispositivo Love wave con una capa guía de SiO2 de 4 µm. El dispositivo se monta en una placa de circuito impreso con cinta sensible a la presión y se conecta a esa placa de circuito impreso mediante unión de cables. (b) Parámetros de dispersión S12 y S21 del dispositivo que muestran una frecuencia síncrona de fc = 142,6 MHz y una pérdida de inserción a esa frecuencia de − 18,5 dB. El sensor se saturó magnéticamente en dirección perpendicular a la dirección de propagación. ( c ) Pila de sesgo de intercambio de fijación superior antiparalela. ( d ) Bucles de magnetización de la pila de polarización de intercambio AP registrados por un trazador de bucle BH a lo largo del eje fácil (azul) y duro (rojo) de magnetización de una muestra circular de diámetro d = 13,8 mm en un sustrato de cuarzo de corte ST. El recuadro muestra el bucle de eje fácil en el rango de − 1 mT a 1 mT.

La Figura 2a muestra una micrografía TEM de alta resolución filtrada por ruido de una sección de una pila de polarización de intercambio de una sola capa. La capa de FeCoSiB es amorfa según lo previsto, solo se observan regiones cristalinas en la interfaz con NiFe. Sin embargo, en la interfaz no es posible una distinción clara entre las dos capas. Las capas de NiFe y MnIr son policristalinos que contienen granos de tamaño nanométrico con una textura distinta {111} a lo largo de la dirección de crecimiento. El análisis elemental localizado mediante mapeo de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) en la Fig. 2b se lleva a cabo para validar los espesores de capa y la distribución elemental a lo largo de la pila, por ejemplo, para examinar la mezcla potencial. En su mayoría, los grosores promedio de todas las capas funcionales coincidieron con el grosor objetivo anticipado, considerando que no hay transiciones bruscas entre las capas que limiten la resolución. Esta mancha de la distribución elemental a través de las interfaces es evidente en el mapa elemental, que muestra señales ejemplares de Mn, Ni y Fe, así como los perfiles cuantificados de todos los elementos metálicos promediados en la región mapeada. Esta característica es especialmente destacada para la interfaz amplia y difusa (Fe90Co10)78Si12B10/Ni81Fe19, que presenta la aparente disminución del contenido de Fe en la capa de NiFe. Sin embargo, como la estequiometría de la capa de NiFe debería ser 81:19, el perfil de Fe observado puede interpretarse como la superposición del fondo de dispersión de señal extendida de Fe en la capa de FeCoSiB y un perfil gaussiano de Fe en Ni81Fe19. Cabe destacar que se observa un grado significativo de rugosidad en la interfaz NiFe/MnIr a partir de investigaciones de alta resolución, lo que podría racionalizar la superposición de intensidades de rayos X localizadas, así como el grosor de la muestra, lo que conduce a la deslocalización de la señal de rayos X. Se demostró que la rugosidad puede influir en el sesgo de intercambio y los campos de coercitividad52.

Investigación TEM y difracción de rayos X de una sección de una pila de polarización de intercambio SL. ( a ) Imagen TEM de alta resolución de una pila de polarización de intercambio único con NiFe de 6 nm. (b) Mapa elemental de EDS y perfiles cuantificados en las capas superiores funcionales. ( c ) Difractogramas de la pila SL con dos espesores de NiFe diferentes. El ángulo de incidencia se mantuvo constante en ω = 5° para penetrar solo en las películas delgadas y no en el sustrato monocristalino.

Para una polarización de intercambio suficiente y confiable cuando se usa MnIr como material antiferromagnético, es beneficiosa una textura {111} de MnIr53. Para ajustar esta textura de MnIr, NiFe actúa como una capa de semilla de soporte. Sin embargo, la relación entre la textura de MnIr y el campo de sesgo de intercambio es compleja e incluso se han reportado hallazgos contradictorios54. Los difractogramas de rayos X de la Fig. 2c revelan que esta textura está presente con una reflexión MnIr 111 a 41,1°. Incluso utilizando un espesor de NiFe de 3 nm, está presente la misma intensidad de reflexión de MnIr 111. De hecho, las capas de NiFe con espesores de 3 nm y 6 nm dan como resultado los mismos campos de polarización de intercambio (no se muestran), pero por aspectos de reproducibilidad se eligió un espesor mayor para este estudio.

En el caso de los sensores de campo magnético SAW de línea de retardo, la sensibilidad es la relación del cambio de fase con la amplitud de un campo magnético aplicado. En todos los sensores basados ​​en materiales magnéticos, esta sensibilidad depende del estado de magnetización de ese material, que puede verse alterado por un campo magnético externo de CC. El cambio de fase de un sensor SAW con polarización de intercambio antiparalelo en función del campo magnético de CC aplicado se muestra en la Fig. 3a. Sigue el cambio característico del módulo de corte de un material magnetostrictivo bajo excitación SAW de corte donde la magnetización del eje fácil es paralela a la dirección de propagación y perpendicular al campo magnético de CC55. El cambio de fase total entre la saturación magnética y el mínimo en alrededor de -0,05 mT asciende a 770°. El barrido del campo magnético de − 10 mT a + 10 mT y viceversa da como resultado una histéresis muy pequeña, lo que indica un proceso de remagnetización gobernado predominantemente por una rotación de magnetización coherente en lugar de un movimiento de pared de dominio (ver Fig. 4c). Las dos curvas se desplazan entre sí solo hasta 25 µT. Además, los mínimos de cada curva se desplazan ligeramente, lo que indica una pequeña inclinación de las anisotropías magnéticas con respecto a la dirección de propagación. La sensibilidad medida del sensor SAW se muestra en la Fig. 3b. Se obtiene aplicando un campo de modulación sinusoidal de 1 µT de 10 Hz y en cada punto de medición se lee la fase a 10 Hz y se divide por el campo de CA de 1 µT. La sensibilidad también representa la derivada del cambio de fase y por lo tanto los máximos de sensibilidad en la Fig. 3b corresponden a los puntos de mayor pendiente en la Fig. 3a. Estos máximos están en -0,4 mT y en 0,28 mT con sensibilidades de 2040 °/mT y 1920 °/mT, respectivamente. En una operación específica de la aplicación, estos campos de polarización pueden ser proporcionados, por ejemplo, por imanes permanentes con magnetización remanente definida y distancia al sensor. La polarización de intercambio también se ha incorporado en los compuestos magnetoeléctricos para proporcionar una polarización interna que cambia los máximos del coeficiente piezomagnético al campo cero45. Si este enfoque es aplicable a los sensores de campo magnético SAW requiere más investigación. Sin embargo, a pesar de una menor permeabilidad magnética del eje duro que los dispositivos SAW comparables basados ​​en el mismo material magnetoestrictivo y el mismo espesor pero sin polarización de intercambio, los sensores de este trabajo muestran sensibilidades similares30.

Respuesta de fase y sensibilidad. ( a ) Cambio de fase en función del campo de polarización de CC aplicado µ0HDC del sensor de onda Love con polarización de intercambio AP. (b) La sensibilidad medida del sensor en función del campo de polarización de CC aplicado. En ambas mediciones la potencia de excitación fue de 10 dBm (10 mW) y el campo magnético se aplicó perpendicular a la dirección de propagación SAW, es decir, el eje de polarización del intercambio.

Imágenes de microscopía magneto-óptica de efecto Kerr. (a) Una sola capa de 200 nm de FeCoSiB. ( b ) La capa superior de intercambio antiparalelo sesgó 2 × 100 nm FeCoSiB. Ambas muestras han sido desmagnetizadas por un campo magnético de CA H decayendo a lo largo del eje duro de magnetización. El eje de sensibilidad del microscopio MOKE estaba verticalmente, es decir, a lo largo del eje fácil de magnetización, que también es la dirección de propagación de SAW. ( c ) La capa superior de FeCoSiB de 2 × 100 nm polarizada por intercambio antiparalelo en la que el campo aplicado se cambió gradualmente de - 5 a 5 mT (se muestran solo imágenes de - 2 a 2 mT) a lo largo del eje duro de magnetización mientras que también el La sensibilidad MOKE se fijó a lo largo de este eje. El área gris alrededor de las capas de FeCoSiB es la capa de SiO2 no ferromagnético. En (b) también se pueden ver partes de los IDT de entrada y salida a través de la capa de SiO2.

El objetivo de la polarización de intercambio de las capas de FeCoSiB es lograr un estado de dominio único en la película delgada magnética. El apilamiento de dos o más capas polarizadas de intercambio de compensación de flujo magnético con magnetización alineada en antiparalelo reduce la energía de campo desmagnetizante total de la muestra y, por lo tanto, suprime la formación de dominios de cierre48. En el caso de un cierre completo del flujo magnético, se puede lograr un estado de dominio único en la remanencia. Para verificar que el estado de dominio único de FeCoSiB en la pila de polarización de intercambio antiparalelo se ha realizado una imagen de microscopía de efecto Kerr magneto-óptico (MOKE). La Figura 4 muestra una comparación de los estados magnéticos de FeCoSiB simple de 200 nm (Fig. 4a) y una muestra de sesgo de intercambio antiparalelo de 2 × 100 nm (Fig. 4b). En la Fig. 4b, solo se ve la capa superior, que además está oculta por las capas de MnIr y NiFe, lo que genera menos contraste de MOKE en esta imagen. Antes de que ambas imágenes fueran tomadas, la película magnética fue desmagnetizada por un campo magnético AC con amplitud decreciente cuya amplitud inicial era lo suficientemente alta como para saturar las películas. El campo desmagnetizante Hdecay se aplicó a lo largo del eje duro de magnetización para lograr un estado fundamental magnético. Sin sesgo de intercambio, se forman dominios rectos delgados con una alta densidad de pared de dominio. Además, se forman dominios de cierre característicos en los bordes56. En contraste, la capa superior en el sistema polarizado antiparalelo muestra un solo estado de dominio. Esto está subrayado en la Fig. 4c, que muestra imágenes de contraste MOKE del mismo sensor polarizado de intercambio antiparalelo, pero en este µ0HDC se cambió de − 5 a 5 mT (se muestran imágenes de − 2 mT a 2 mT) a lo largo del eje duro de magnetización. Este es el mismo eje que en el bucle de eje duro en la Fig. 1d y en las curvas de polarización en la Fig. 3. No se forman dominios magnéticos durante el proceso de remagnetización sin excitación, lo que confirma la rotación de magnetización coherente anticipada en el sensor estructurado.

Para un dispositivo SAW de una sola capa magnética, se demostró que, en general, con el aumento de la potencia de excitación, el ruido de fase de parpadeo en los sensores de campo magnético SAW disminuye, al igual que las pérdidas efectivas, es decir, \({\mu }_{\mathrm{r }}^{\mathrm{^{\prime}}\mathrm{^{\prime}}}\) son decrecientes32. Sin embargo, esto solo es válido hasta una cierta potencia de excitación. Con el aumento de la excitación, se producen saltos de pared aleatorios en el dominio de Barkhausen, que a amplitudes de potencia de excitación lo suficientemente altas se convierten en la fuente dominante de ruido, lo que provoca el llamado ruido de paso aleatorio de fase que exhibe un comportamiento 1/f2. En consecuencia, se investiga la dependencia de la potencia de excitación de los sensores SAW en un sistema de dominio único. Primero, la Fig. 5a muestra la sensibilidad de un sensor polarizado de intercambio antiparalelo en función del campo de polarización de CC para diferentes potencias de excitación. Muestra que incluso aplicando potencias tan altas como 15 dBm, la dependencia del campo magnético no cambia significativamente. Las potencias de excitación típicas para los sensores de campo magnético SAW son de alrededor de 0 dBm32. De hecho, con el aumento de la potencia, las curvas de sensibilidad incluso se vuelven más simétricas, es decir, los valores de sensibilidad en los máximos se igualan y los picos de sensibilidad máxima se desplazan ligeramente hacia campos más altos. Ambos efectos pueden explicarse por la anisotropía magnética efectiva adicional causada por el esfuerzo cortante oscilante. Sin embargo, con potencias de excitación severamente más altas, la forma de las curvas de sensibilidad cambia. Además de los máximos principales en valores de campo magnético pequeños, se produce un cambio adicional en la forma a medida que se producen pequeñas "jorobas" en torno a −0,4 mT/0,4 mT. El aumento drástico de la sensibilidad en campos de polarización magnética más pequeños sugiere un mecanismo de remagnetización alterado con una mayor permeabilidad magnética que no está presente de manera significativa a potencias más bajas. Para la visualización, las sensibilidades máximas se representan frente a diferentes potencias de excitación en la Fig. 5d.

Dependencia de potencia del rendimiento del sensor SAW polarizado por intercambio antiparalelo. (a) Sensibilidad en función del campo de polarización de CC magnético aplicado barrido de − 10 mT a + 10 mT (líneas completas) y viceversa (líneas discontinuas) para diferentes potencias de excitación. Solo se muestra la región de alta sensibilidad de − 1,2 mT a + 1,2 mT. (b) Pérdida de inserción inducida magnéticamente en función del campo magnético de CC aplicado para diferentes potencias de excitación medidas desde − 10 mT hasta + 10 mT. Las pérdidas se normalizan a 0 dB, donde 0 dB corresponde a la pérdida de inserción en saturación magnética. ( c ) Espectros de ruido de fase del mismo sensor a diferentes potencias de excitación. Para cada potencia de excitación se aplicó un campo de polarización de CC que corresponde al punto de mayor sensibilidad. (d) Ruido de fase a 10 Hz y 100 Hz y la sensibilidad máxima respectiva en función de la potencia de excitación.

En la figura 5b, las pérdidas de inserción adicionales inducidas magnéticamente en relación con las pérdidas de inserción en la saturación magnética en las respectivas potencias de excitación se muestran en función de los campos de polarización de CC aplicados para diferentes potencias de excitación. Las pérdidas de inserción magnéticas adicionales muestran un máximo en torno a cero campo magnético para todas las potencias de excitación. De manera análoga a la sensibilidad en la Fig. 5a, las pérdidas primero se vuelven más simétricas alrededor del campo magnético cero y aumentan fuertemente a altas amplitudes de excitación. En estudios previos, las pérdidas por inserción magnética se han relacionado con la mayor presencia de paredes de dominio33. También se ha observado una clara correlación entre la pérdida de inserción magnética adicional y el ruido de fase inducido magnéticamente32. Allí, en una capa simple de FeCoSiB, el ruido de fase es más alto donde la pérdida de inserción es máxima a una potencia de excitación constante. La comparación de las figuras 5a y b muestra que a potencias más bajas, los máximos de sensibilidad no se correlacionan con pérdidas de inserción altas. Solo a altas potencias, como 24 dBm, los máximos de sensibilidad corresponden a los dos picos menores en la pérdida de inserción magnética a -0,28 mT y 0,19 mT en la Fig. 5b. Aquí, la Fig. 5c revela que el ruido de fase solo se correlaciona con las pérdidas de inserción magnética hasta cierto punto. Muestra la densidad espectral de potencia de las fluctuaciones de fase, es decir, el ruido de fase en función de la frecuencia junto a la portadora de excitación para diferentes potencias de excitación. Mientras que las pérdidas de inserción aumentan continuamente con la potencia de excitación, el ruido de fase primero disminuye y luego vuelve a aumentar. Esto se visualiza en la Fig. 5d que muestra el ruido de fase a 10 Hz y 100 Hz en función de la potencia de excitación. Revela claramente una región donde se minimiza el ruido de fase, que está entre 5 y 10 dBm. En comparación con los sensores SAW basados ​​en FeCoSiB sin polarización de intercambio, se pueden aplicar potencias de excitación más altas antes de que aumente el ruido32. Además, el aumento de ruido no es tan drástico con potencias más altas, lo que sugiere otros mecanismos de fuente de ruido en lugar de saltos aleatorios de Barkhausen. Por lo tanto, en comparación con los sensores SAW polarizados sin intercambio, el ruido de fase en un punto de trabajo óptimo es 8 dB más bajo30. Una fuente potencial de ruido es la temperatura generada durante la excitación SAW con potencia elevada57,58. En nuestros dispositivos encontramos un aumento de temperatura de 14 °C desde la temperatura ambiente a una potencia de excitación de 24 dBm (no se muestra). De acuerdo con la Ec. (2) esto conducirá a un aumento del ruido de fase 1/f. Además, la tensión de corte oscilante de la onda acústica puede causar potencialmente fluctuaciones de magnetización en la película que generan ruido. En 33, el esfuerzo cortante generado por la amplitud de la onda se estimó a partir del cambio en el contraste de MOKE en τ = 3,29 MPa con una excitación de 10 dBm. Suponiendo un módulo de cizallamiento de FeCoSiB de G = 28,1 GPa59, la tensión de cizallamiento que actúa con una excitación de 10 dBm se puede estimar como γ10dBm = 0,06‰. A 24 dBm, la amplitud de excitación es unas 5 veces mayor, lo que da lugar a tensiones de cizallamiento estimadas de γ24dBm = 0,3‰ bajo el supuesto de que la tensión aumenta linealmente con la amplitud de excitación, que es proporcional a la raíz cuadrada de la potencia de excitación. En el caso de las ondas de amor, la tensión de corte oscilante actúa a 45 ° con respecto al eje magnético fácil y desencadena una oscilación de la magnetización. Sin embargo, los mecanismos específicos requieren más investigación.

El límite de detección (LOD), que es la relación entre el ruido de fase y la sensibilidad23, se muestra en la Fig. 6a para diferentes potencias de excitación a 10 Hz y 100 Hz. Dado que la sensibilidad apenas cambia hasta potencias de excitación de 18 dBm, el LOD sigue la misma tendencia que el ruido de fase, con los LOD más bajos entre 5 y 8 dBm de 28 pT/Hz1/2 a 10 Hz y 10 pT/Hz1/2 a 100 Hz. Esta es una mejora por un factor de 2,5 en comparación con los mejores sensores SAW sesgados sin intercambio hasta ahora30. A potencias de excitación más altas de 15 dBm en el LOD es casi constante ya que el ruido aumenta en la misma cantidad que la sensibilidad. El LOD más bajo a 5 dBm de excitación se muestra en la Fig. 6b hasta una frecuencia de 10 kHz, ya que en este rango la sensibilidad del sensor es constante31. A partir de 1 kHz, el LOD está incluso por debajo de 5 pT/Hz1/2.

Límites de detección (LOD). (a) LOD en función de la potencia de excitación a 10 Hz y 100 Hz fuera de la frecuencia portadora. (b) Espectro de frecuencia del LOD más bajo a una potencia de excitación de 5 dBm.

Se presentó una pila de polarización de intercambio de fijación superior que consta de capas ferromagnéticas de Ni81Fe19 y magnetoestrictivas (Fe90Co10) 78Si12B10 y Mn80Ir20 antiferromagnético en dispositivos Love wave SAW. Se logró una polarización antiparalela de dos pilas de polarización de intercambio aplicando un campo magnético durante la deposición y rotando la muestra entre deposiciones. La capa de semillas de NiFe proporciona una textura 111 de la capa de MnIr, lo que induce un sesgo de intercambio lo suficientemente alto como para proporcionar un estado de dominio único sobre la película magnética completa. La respuesta de fase de los sensores SAW muestra una pequeña histéresis y, debido a la eliminación de las paredes de dominio, el ruido de fase magnético 1/f se redujo en aproximadamente 8 dB en comparación con los sensores polarizados sin intercambio. Sin embargo, también se demostró que, a pesar de la probable ausencia de paredes de dominio, existe una dependencia de la potencia de excitación del ruido de fase. A altas amplitudes de potencia de excitación, 1/f, aumenta el ruido, lo que hace que sean necesarias más investigaciones para distinguir entre las diferentes contribuciones de ruido. En general, se logró una mejora sustancial del límite de detección de los sensores de campo magnético SAW por un factor de 2,5.

Los IDT de Au de 200 nm de espesor con capas de adhesión de Cr de 8 nm en la parte superior e inferior se depositan mediante pulverización catódica con magnetrón de CC y se estructuran mediante fotolitografía y grabado con haz de iones. Posteriormente, se deposita una capa de SiO2 de 4 µm de espesor mediante deposición química en fase vapor mejorada con plasma (PECVD) que actúa como capa guía. Las partes del SiO2 se eliminan nuevamente mediante el grabado de iones reactivos de plasma acoplado inductivamente para proporcionar acceso a las almohadillas de contacto para la unión de cables del sensor final a una placa de circuito impreso (PCB). La deposición de la pila de polarización de intercambio de pinning superior antiparalela se realiza en dos pasos. Primero, se depositan capas de Ta (7 nm)/(Fe90Co10)78Si12B10 (100 nm)/Ni81Fe19 (6 nm)/Mn80Ir20 (8 nm)/Ta (5 nm) mientras está presente un campo magnético de ~ 60 mT que es aplicado en paralelo a la dirección de propagación SAW. Posteriormente, las muestras se retiran de la cámara de vacío, se giran 180° con respecto al campo magnético y se deposita una segunda secuencia de capas compuesta por Ta (5 nm)/FeCoSiB (100 nm)/NiFe (6 nm)/MnIr (8 nm)/Ta (5 nm). Para la caracterización magnética y estructural también se han fabricado pilas de una sola capa (SL) con NiFe de 6 nm y 3 nm de espesor. Las deposiciones de FeCoSiB y NiFe se realizan mediante pulverización catódica con magnetrón de RF y de Ta y MnIr mediante pulverización catódica con magnetrón de CC. La estructura de línea de retardo geométrica de las capas de polarización de intercambio se proporciona a través de despegue.

Se prepara una sección transversal de una pila de polarización de intercambio único mediante el método de haz de iones enfocado (FIB) y se investiga mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). Se registran micrografías de alta resolución de las capas cristalinas de NiFe y MnIr en un microscopio Tecnai F30 G2 STWIN. El mapeo elemental mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) de las capas funcionales se realiza en modo de exploración en un JEOL NeoARM. Los difractogramas de rayos X se obtienen utilizando un difractómetro de rayos X Rigaku SmartLab de 9 kV con radiación CuKα (λ = 1,5406 Å).

Las imágenes de dominio magnético se recopilan con un microscopio magneto-óptico de efecto Kerr (MOKE) de vista grande. La iluminación homogénea de la muestra se logra mediante una combinación de una fuente de LED de alta potencia (longitud de onda de 520 nm) con una lente telecéntrica. Se utiliza un soporte de cámara CCD Scheimpflug para obtener un enfoque uniforme en el área de muestra grande. Los bucles de histéresis magnética volumétrica se registran con un trazador de bucle BH inductivo.

El sensor está conectado por cable a una PCB y su impedancia se adapta a 50 Ω en cada puerto. Los parámetros de dispersión se miden con un analizador de redes vectoriales mientras el sensor se satura magnéticamente en dirección perpendicular a la dirección de propagación SAW. Las caracterizaciones de sensores magnéticos se realizan dentro de una cámara de cero gauss para eliminar las influencias del campo magnético terrestre y el equipo de laboratorio circundante. Los campos magnéticos de CC y CA son proporcionados por dos solenoides, respectivamente, mientras que para la detección de fase dinámica se aplica una señal de CA sinusoidal de 1 µT de 10 Hz. En los experimentos, todos los campos magnéticos se aplican a lo largo del eje duro de magnetización, es decir, perpendiculares a la dirección de propagación SAW. Para la excitación y la lectura se utiliza un amplificador lock-in UHFLI de Zurich Instruments. Para aplicar amplitudes de potencia superiores a los 7,5 dBm de potencia máxima que proporciona el UHFLI se utiliza un amplificador de potencia ZFL − 2500VH+ de Mini Circuits. El amplificador de potencia ZFL proporciona una ganancia de 24 dB y tiene un nivel de ruido de − 138 dB rad2/Hz a 10 Hz y − 152 dB rad2/Hz a 1 kHz cuando se aplica 0 dBm. Para las mediciones de ruido, se utiliza un analizador de ruido de fase FSWP de Rohde&Schwarz, mientras que el mismo amplificador de potencia ZFL-2500VH + proporciona mayores amplitudes de potencia y un atenuador de paso de menor tamaño de paso de potencia. Como fuente para los campos de polarización de CC durante las mediciones de ruido, se utiliza una fuente de bajo ruido controlada por potenciómetro basada en batería construida internamente.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido.

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Los autores desean agradecer a la Fundación Alemana de Investigación (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG) que financió este trabajo a través del centro de investigación colaborativo CRC 1261 "Sensores magnetoeléctricos: de materiales compuestos a diagnósticos biomagnéticos". Además, los autores agradecen a Phillip Durdaut por proporcionar los scripts de lectura de MATLAB.

Financiamiento de acceso abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Materiales funcionales inorgánicos, Instituto de Ciencias de los Materiales, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24143, Kiel, Alemania

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Todos los autores interpretaron los datos, discutieron los resultados, revisaron y comentaron el manuscrito. DM, EQ, JM y LK diseñaron experimentos y supervisaron la investigación. VS escribió el manuscrito, fabricó muestras, creó figuras y realizó mediciones relacionadas con sensores. ES realizó imágenes MOKE y contribuyó a las cifras. NW realizó mediciones TEM/EDS, contribuyó a las cifras y escribió segmentos del manuscrito. LB realizó mediciones XRD.

Correspondencia a Dirk Meyners.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Schell, V., Spetzler, E., Wolff, N. et al. Intercambiar sensores de campo magnético de ondas acústicas superficiales polarizadas. Informe científico 13, 8446 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35525-6

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Recibido: 24 febrero 2023

Aceptado: 19 de mayo de 2023

Publicado: 25 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35525-6

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