Метрологическое обеспечение научных исследований по созданию магнитных пленочных биосенсоров

Аннотация

В работе был проведен комплекс исследований состава, структуры, магнитных свойств и гигантского магнитного импеданса (ГМИ) многослойных пленочных структур, необходимый для их использования как чувствительных элементов датчиков слабых магнитных полей. Структуры получались методом ионно-плазменного распыления. Исследовались и пленочные структуры в стандартной геометрии, и элементы в виде полосок в геометрии ГМИ элементов. ГМИ конфигурация представляет собой трехслойную пленку типа магнитный слой - проводящий немагнитный слой - магнитный слой при равной толщине каждого из слоев. Магнитный слой может быть заменен многослойной структурой. Для анализа особенностей структуры использовали электронную микроскопию и рентгено-фазовый анализ. Показано, что образцы имеют нанокристаллическую структуру, разделение слоев пермаллоя немагнитными прослойками влияет на особенности его текстуры и размер зерна. Точный состав пленок Fe19Ni81 был определен с помощью приставки энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгенофлуоресцентного анализа. Магнитные свойства были исследованы с помощью магнито-оптического эффекта Керра и вибрационной магнитометрии. Несмотря на присутствие специально прикладываемого во время напыления технологического магнитного поля, формируемая магнитная анизотропия имела сложный характер. Так, ось магнитной анизотропии поверхностного слоя у большинства образцов располагалась перпендикулярно длинной стороне прямоугольного элемента (соосно с ориентацией технологического поля), а ось эффективной магнитной анизотропии ориентировалась вдоль длиной стороны элемента. Исследование ГМИ в диапазоне частот 1 - 400 МГц позволило отобрать элементы для тестирования прототипа биодатчика для определения положения магнитной вставки в виде феррогеля/эпоксидной смолы с магнитными наночастицами. Показана возможность детектирования полей рассеяния магнитных частиц с помощью используемого элемента и проведены оценки погрешности ГМИ откликов прототипа биодатчика. Созданы и опробованы в ряде биологических экспериментов не имеющие коммерческих аналогов магнитные матрицы на основе постоянных магнитов. Исследовано распределение магнитного поля магнитных систем: катушек Гельмгольца, коммерческого электромагнита, 24 и 48 луночных магнитных матриц. Все эти системы в настоящее время используются в экспериментах по гранту РНФ18-19-00090. Автор выражает благодарность за поддержку в проведении работы Ф.А. Бляхману, А.П. Сафронову, А.Н. Членовой, С.О. Волчкову, В.Н Лепаловскому, А.В. Свалову, А.И. Козлову. Работа выполнена при частичной поддержке гранта РНФ-18-19-00090.