Planar Hall etkisine dayalı biyosensörlerin şekillendirilebilir yüzeylere büyütülmesi

Abstract

Şekillendirilebilir manyetoelektronik cihazlar, son yılların en önemli teknolojik araştırma alanlarından biri hâline gelmiştir. Son derece hassas, uygun maliyetli ve yeniden şekillendirilebilen manyetoelektronik cihazların gelecekte yapılacak öngörülebilir uygulamaları arasında manyetik parçacık saptanması, mikroakışkan kanallarla üretilecek platformlar ve yonga üstü laboratuvar uygulamaları bulunmaktadır. Manyetodirenç tabanlı biyoçipler arasında, planar Hall etkisi (PHE) sensörleri, yüksek sinyal-gürültü oranı, düşük ofset voltajı ve düşük dış manyetik alanlarda doğrusal tepki avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Bu sebeple, sensör yapısında kullanılan malzemeler ve sensör mimarisi değiştirilerek, sensör hassasiyetini artırmak için kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır. Bu tezde, PHE sensörlerinin farklı bükme koşulları altındaki hassasiyetleri incelenmiştir. Bu amaçla, magnetron sıçratma tekniği kullanılarak, iki tabakalı NiFe (10 nm) / IrMn (8 nm) malzemelerinden oluşan PHE sensörleri üretilmiştir. Sensörlerin manyetik özellikleri manyeto-optik Kerr etkisi tekniği kullanılarak incelenmiştir. Sensörlerin PHE voltaj değerleri ve AMR oranları, GTÜ Fizik Bölümü'nde tasarlanmış ve yapılmış olan transport sistemi kullanılarak ölçülmüştür. Ayrıca farklı manyetik alanlar altında sensör kararlılığını araştırmak için, zamana bağlı PHE voltaj değişimini inceleyen timescan ölçümleri yapılmıştır. Ek olarak, üretilen sensörlerin şekillendirilebilir uygulamalar için uyumluluğunu kontrol etmek için, sensörler içbükey ve dışbükey olarak bükülerek PHE hassasiyetinin ve AMR oranının değişimi incelenmiştir.

Shapeable magnetoelectronics became one of the most important technological research fields of the last years. Foreseeable applications of highly sensitive, cost effective and re-shapeable magnetoelectronics also include magnetic particle detection in microfluidics and lab-on-a-chip platforms. Among the magnetoresistive-based biochips, planar Hall effect (PHE) sensors have the advantages of high signal-to-noise ratio, small offset voltage, and linear response at small field. Therefore, there has been extensive research to increase their sensitivity by optimizing sensor materials and sensor architectures. In this thesis, the field sensitivity of PHE sensors under different bending conditions were investigated. For this purpose, the PHE sensors were fabricated by the lift-off of a bilayer exchange bias structure of NiFe(10 nm)/IrMn (8 nm) by using a magnetron sputtering system. The magnetic properties of the sensor materials were investigated by using magneto-optical Kerr effect technique. The PHE voltage profiles of the sensors and AMR ratios were measured using a home-made transport measurement system. We have also carried out timescan experiments to investigate the sensor stability under different magnetic fields. In addition, we have performed bending measurements under concave and convex configurations to check the compatibility of the produced sensors for shapeable applications.