Inverse-Bilayer AlN/(Fe90Co10)78Si12B10 Magnetoelectric Composites

Yarar, Erdem

As of late, magnetoelectric composite sensors are becoming potential candidates for the measurement of low magnetic signals. These sensors constitute of thin film layers sputtered on top of each other and exploit the product property of their constituent materials. Based on the strain transfer between piezoelectric and magnetostrictive layers, magnetoelectric sensors are able to output a polarization in response to an applied external magnetic field. Their sensitivity to magnetic fields in the pT-range, at room temperature and without the need of cooling, represents several advantages including lower running costs, smaller device size and easier applicability. Aforementioned properties encouraged a wide range of investigations in the last decade, and various sensors with different materials and geometries were investigated. Among these, several sensors of aluminum nitride (AlN) and Fe-based metallic glass alloys; e.g., (Fe90Co10)78Si12B10 (FeCoSiB), exhibit remarkable results. The current work solves these challenges and aims at the fabrication, optimization and characterization of low temperature AlN thin films as well as the development of thin film magnetoelectric sensors based on AlN/FeCoSiB in order to detect AC magnetic fields smaller than 1 pT.

Seit Kurzem bieten magnetoelektrische Kompositsensoren eine potentielle Alternative zur Messung niedriger magnetischer Signale. Diese Sensoren bestehen aus mehrlagigen Dünnfilmschichten, die übereinander abgeschieden werden und die Produkteigenschaft ihrer Bestandteile ausnutzen. Basierend auf der Dehnungsübertragung zwischen piezoelektrischen und magnetostriktiven Schichten, generieren magnetoelektrische Sensoren in Reaktion auf ein angelegtes externes Magnetfeld eine elektrische Polarisation. Ihre Empfindlichkeit für Magnetfelder im pT-Bereich, bei Raumtemperatur und ohne Kühlung, ist vorteilhaft. Dazu gehören niedrigere Herstellungs- und Betriebskosten, kleinere Gerätegrößen und einfachere Anwendbarkeit. Die genannten Anforderungen führten im letzten Jahrzehnt zu einem breiten Spektrum von Untersuchungen und der Erforschung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Kompositsystemen und Geometrien. Besonders verschiedene Sensoren aus Aluminiumnitrid (AlN) und Fe-basierten metallischen Glaslegierungen zeigen bemerkenswerte Ergebnisse wie z.B. (Fe90Co10)78Si12B10 (FeCoSiB). Die aktuelle Arbeit löst diese Herausforderungen und behandelt die Fertigung, Optimierung und Charakterisierung von Niedertemperatur AlN Dünnfilmen, darüber hinaus wird die Entwicklung von magnetoelektrischen Sensoren auf Basis von AlN/FeCoSiB gezeigt. Diese Entwicklung soll schlussendlich die Detektion von magnetischen Wechselfeldern kleiner als 1pT ermöglichen. Die Notwendigkeit die amorphe Struktur und somit weichmagnetische Eigenschaften von FeCoSiB zu erhalten, wird durch den Einsatz eines neuen Niedrigtemperatur Prozessablaufs gelöst. Basierend auf anfänglichen Untersuchungen mit DC- und HF-Sputter prozessen, wird eine Tieftemperatur-AlN-Abscheidung erreicht, indem ein gepulster Gleichstrom-Zerstäubungsprozess, im Prozessablauf der magnetoelektrischen Sensoren implementiert wird. Dieser Prozessablauf ermöglicht die Realisierung neuer Sensortypen, bei denen die Stapelreihenfolge verändert werden kann, um die Sensoreigenschaften zu optimieren.

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Yarar, Erdem: Inverse-Bilayer AlN/(Fe90Co10)78Si12B10 Magnetoelectric Composites.

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