Magnetoelektrische Dünnschichtkomposite mit integriertem Exchange Bias

Magnetoelektrische (ME) Dünnschichtkomposite sind Verbundmaterialien, die aus piezoelektrischen und magnetostriktiven Schichten bestehen. Das Funktionsprinzip der Anwendung als Magnetfeldsensor basiert darauf, dass ein Magnetfeld eine Formveränderung der magnetostriktiven Phase verursacht, die durch die mechanische Kopplung an die piezoelektrische Phase eine messbare elektrische Polarisation bewirkt. Die Empfindlichkeit eines ME Sensors verhält sich proportional zum piezomagnetischen Koeffizienten, also die Längenänderung der magnetostriktiven Phase per Magnetfeld. Aufgrund seiner Eigenschaft als Ableitung der Magnetostriktionskurve ist dieser für die meisten magnetostriktiven Materialien im Nullfeld sehr niedrig. Infolgedessen muss für empfindliche Messungen stets ein präzise definiertes magnetisches Feld angelegt werden. Da jeder Sensor ein individuell orientiertes Haltefeld benötigt, lässt sich kein globales Haltefeld für kombinierte Sensoren anlegen. Die individuellen Haltefelder sind für den Betrieb von dicht angeordneten Sensoren nachteilig, da ihre Streufelder als Störquellen für benachbarte Sensoren wirken können. Um dies zu vermeiden müsste der Abstand zu Lasten der Ortsauflösung erhöht werden. Ziel der Arbeit ist die Integration der benötigten Haltefelder in ME Dünnschichtkomposite durch die magnetische Kopplung eines antiferromagnetischen Materials an die magnetostriktive Schicht. Mit Hilfe dieser Kopplung, Exchange Bias Effekts genannt, soll das Magnetisierungsverhalten so eingestellt werden, dass ein lokales Maximum der Empfindlichkeit im Nullfeld auftritt. Eine Herausforderung hierbei ist die Eigenschaft, dass die Ausrichtung des Exchange Bias Feldes parallel zur Längsachse der verwendeten Biegebalkensubstrate eine verschwindend geringe Magnetostriktion in dieser Richtung bewirkt. Wird das Exchange Bias senkrecht zur Längsachse angelegt, ist die Magnetostriktion entlang der Längsachse maximal. Es liegt jedoch keine Verschiebung der Magnetisierungskurve und folglich der Magneto-striktionskurve vor. Als Folge fällt der piezomagnetische Koeffizient im Nullfeld verschwindend gering aus. Durch Exchange Bias Felder, die verkippt zur Längsachse der Biegebalkensubstrate eingestellt sind, lässt sich eine maximale Empfindlichkeit im Nullfeld einstellen. Die höchsten ME Spannungskoeffizienten im Nullfeld betragen ca. 450 V/cmOe. Die Winkelabhängigkeit dieser Antwort ermöglicht zudem die Bestimmung der Richtung eines magnetischen Wechselfeldes, das beliebig zu einer Anordnung von zwei Sensoren mit intrinsischen Haltefeldern ausgerichtet ist. Die Detektionsgrenze für die so hergestellten Sensoren lag bei ca. 10 pT/√Hz, gemessen in mechanischer Resonanz des Sensors bei ca. 1,2 kHz. Die Kombination solcher Sensoren erlaubt die Verwendung eines Verfahrens zur Bestimmung der Orientierung des Sensors zum Magnetfeld, die erfolgreich für eine zweidimensionale Anordnung demonstriert werden.