Methodological Reduction of Magnetically Induced Noise in Magnetic Multilayers for Sensor Applications

Jovičević Klug, Matic ORCID

Current composite magnetoelectric (ME) sensors of cantilever design have shown promising properties and positive tendencies toward sensor applications in biomagnetic sensing. Despite great signal performance, the sensors have limitations, resulting from noise generated by the magnetic phase. The magnetically induced noise dominates the sensors performance even further when low frequency signals are probed, using magnetic frequency conversion (MFC). The work orients around this specific impediment and provides various techniques to suppress the noise sources, originating from the magnetic phase. In the beginning, the work reviews the effectiveness of multilayer exchange bias (EB) systems that were used to reduce magnetic noise. An improvement of the system is introduced that allowed increased signal yield. However, the noise response could not be improved. For this reason, a new magnetic multilayer system dubbed antiparallel exchange bias (APEB) is introduced, which is formed with a specialized post-production heating scheme. The developed coupling allows formation of a stable magnetic configuration, leading to a significant reduction of the magnetic noise. Incorporated into the ME sensors, the APEB yields improvement in their limit of detection (LOD) and reproducibility of their sensing properties. The sensors were characterized electrically as well as magnetically using magneto-optical Kerr effect microscopy. In their finalized form, the sensors exhibit a significantly decreased noise behavior, demonstrating a voltage noise threshold below 10-7 V/Hz1/2 at optimal working parameters at 10 Hz during MFC operation. The sensors demonstrate more than two orders of magnitude and one order of magnitude lower noise level in comparison to conventional single layer sensors and multilayer exchange biased sensors respectively. The sensors demonstrate noise limitations only by the thermo-mechanical noise level with application of MFC. Thickness increase of individual ferromagnetic layers and variation of anisotropy alignment was performed to counteract the reduction of the signal output, whilst upholding the low noise behavior. The new sensors with a total ferromagnetic thickness of 4 µm provided an LOD of 50 pT/Hz1/2 at 10 Hz. Within this work also MOKE analysis of sensor behavior during electrical excitation was performed. The effect and mechanism of the electrical excitation on the domain construct is investigated for single layer as well as multilayer (AP)EB systems. Preliminary measurements of such sensors already indicated an LOD of 30 pT/Hz1/2 at 10 Hz. The final part of the dissertation revolves around the minimization of edge effects that plague the sensor designs and form a major noise source in the magnetic phase. To circumvent this effect, an investigation of various patterned edges was employed in order to induce the stress effect complementary to the desired magnetic anisotropy direction. In conclusion, this work provides significant research in the field of magnetic domain manipulation and magnetic domain stabilization that is not limited in applicability to ME sensors. It spans also to other sensors that utilize magnetic layers for the sensing of magnetic fields. Furthermore, the newly developed concepts could be implemented into other devices utilizing magnetic thin film components such as energy harvesters, magnetic shielding and magnetic recordings.

Gegenwärtige magnetoelektrische (ME) Kompositsensoren, die auf einem Biegebalkendesign beruhen, besitzen vielversprechende Eigenschaften bezüglich der Anwendung als Magnetfeldsensor zur Detektion biomagnetischer Signale. Trotz der hohen Signalamplitude weisen diese Sensoren Einschränkungen auf, die auf von der ferromagnetischen Phase erzeugten Rauschbeiträgen beruhen. Diese magnetisch induzierten Rauschbeiträge dominieren die Sensorleistung, insbesondere wenn Niederfrequenzsignale mit der sogenannten magnetischen Frequenzumwandlung (MFC) abgetastet werden. Der Fokus der Arbeit liegt daher auf diesem spezifischen Problem, und es werden verschiedene Techniken aufgezeigt, um die von der magnetischen Phase herrührenden Rauschquellen zu unterdrücken. Zu Beginn der Arbeit wurde die Wirksamkeit von mehrschichtigen Exchange-Bias (EB) Systemen untersucht, die bereits zur Reduktion des magnetischen Rauschens eingesetzt werden. Durch eine Verbesserung des Systems konnte eine erhöhte Signalausbeute ermöglicht, jedoch das Rauschverhalten nicht verbessert werden. Aus diesem Grund wurde ein magnetisches Mehrschichtsystem, "Antiparallel Exchange Bias" (APEB), eingeführt. Das neue System wird mittels einer speziellen Temperaturnachbehandlung hergestellt. Das neu entwickelte Kopplungsschema ermöglicht die Bildung einer stabilen magnetischen Konfiguration, welche zu einer signifikanten Reduzierung des magnetischen Rauschens führt. Zusätzlich verbessert das APEB die Nachweisgrenze (LOD) und die Reproduzierbarkeit der Sensoreigenschaften. Die Charakterisierung der Sensoren wurden sowohl elektrisch als auch magnetisch mittels magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE) Mikroskopie durchgeführt. In ihrer endgültigen Form zeigen die Sensoren ein signifikant verringertes Rauschverhalten unter 10- 7 V/Hz1/2 bei 10 Hz bei optimalen Arbeitsparametern während der Anwendung von MFC. Die Sensoren weisen damit einen mehr als zwei Größenordnungen bzw. eine Größen-ordnung niedrigeren Rauschpegel im Vergleich zu herkömmlichen Einzelschicht-sensoren bzw. herkömmlichen mehrschichtigen EB Sensoren auf. Die Performance der Sensoren ist damit auch bei der Verwendung von MFC nur durch das thermomechanische Rauschen begrenzt. Eine Erhöhung der Schichtdicke der einzelnen ferromagnetischen Schichten sowie eine Variation der magnetischen Anisotropieausrichtung wurden durchgeführt, um der einhergehenden Verringerung der Signalamplitude entgegenzuwirken und dabei trotzdem das rauscharme Verhalten beizubehalten. Die Sensoren mit einer ferromagnetischen Gesamtdicke von 4 µm und angeregt mit MFC lieferten ein LOD von 50 pT/Hz1/2 bei 10 Hz. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zusätzliche MOKE-Analysen des Sensorverhaltens während elektrischer Modulation durchgeführt. Der Effekt und Mechanismus der elektrischen Anregung auf das Domänenverhalten wurden sowohl für Einzelschicht-systeme als auch für mehrschichtige EB-Systeme untersucht. Für diese Anregungsmethode wurden auch spezielle APEB Sensoren entwickelt. Vorläufige Messungen der Sensoren zeigten bereits ein LOD von 30 pT/Hz1/2 bei 10 Hz. Der letzte Teil der Dissertation befasst sich mit der Minimierung von Randeffekten, die die Hauptstörquellen in der magnetischen Phase bilden. Um diese Effekte zu umgehen, wurde eine Untersuchung verschiedener Kantenstrukturen zur Induktion des Spannungseffektes komplementär zur gewünschten Anisotropieausrichtung durchgeführt. Zusammenfassend liefert diese Arbeit einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der magnetischen Domänenmanipulation und Domänenstabilisierung, die nicht nur auf ME-Sensoren anwendbar ist, sondern auch auf andere Sensortypen, die Magnetschichten zum Erfassen von Magnetfeldern verwenden. Darüber hinaus könnten die neu entwickelten Konzepte in andere Gebieten implementiert werden, die magnetische Dünnschichtkomponenten verwenden. Dazu gehören sogenannte Energy Harvester, magnetische Abschirmungen und magnetische Datenspeicher.

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Jovičević Klug, Matic: Methodological Reduction of Magnetically Induced Noise in Magnetic Multilayers for Sensor Applications. 2019.

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