Study of nanomagnetic properties of multi functional nano - materials by an ultrasensitive planar Hal l effect microprobe

Abstract

Les capteurs magnétorésistifs (MR) sont très intéressents dans de nombreuses applications, notamment les détections biologiques, les applications spatiales, les applications automobiles, les applications industriel, et la magnétométrie pour la caractérisation des nanomatériaux magnétiques. La clé importante des capteurs MR dans ces applications est la mesure des champs magnétiques locaux créés à partir d'objets magnétiques ou des courants électriques. Un capteur MR convertit le champ magnétique en une tension de sortie électrique afin d'être mesurée au moyen d'un voltmètre. Pour s'intéresser à ces applications émergentes, il faut des capteurs magnétiques à haut rendement aux propriétés uniques telles qu'une réponse électrique linéaire au champ magnétique, une sensibilité très élevée, une excellente reproductibilité, une faible limite de détection, des bruits faibles, une stabilité thermique élevée, et leur compatibilité avec la technologie des circuits intégrés (IC), et avec les systèmes de détection biologique miniatures. Au cours des dernières décennies, les progrès de la fabrication des matériaux magnétiques de faible dimension accompagnés avec une compréhension approfondie des phénomènes spintroniques ont conduit à l'invention de plusieurs types de capteurs magnetoresistance, notamment le capteur à magnétorésistance géante (GMR) et le capteur à résistance de Hall planaire (PHR). Le capteur GMR modifie sa résistance par le filtrage des électrons en utilisant l’orientation relative de la magnétisation des couches des capteurs. En revanche, pour le capteur PHR sa résistance change en raison du changement de son aimantation. De manière intéressante, ces capteurs magnétorésistifs possèdent les caractéristiques requises pour les applications mentionnées ci-dessus, notamment en la nouvelle génération de biopuce, et en micromagnétométrie ultrasensible pour la caractérisation de micro et nanoobjets magnétique. De plus, l'utilisation de capteurs à magnétorésistance pour la détection de nanoparticules magnétiques est une perspective prometteuse pour le développement des systèmes technologiques innovants pour la science fondamentale et appliquée. Par exemple, les propriétés inconnues du nanomagnétisme dans les nanoparticules d'or le rendent attractif pour de nouvelles applications. La possibilité d'activer et de contrôler le magnétisme provenant d'une nouvelle réorganisation des charges électriques sur les nanoparticules d'or via l'interaction entre leurs surfaces et des particules biologiques ou IV polymères pourrait conduire à l'émergence de capteurs bio-magnétiques ultra-sensibles. Le développement de tels dispositifs nécessite une compréhension approfondie des interactions chimiques entre les surfaces des nanoparticule d'or et les molécules biologiques par la caractérisation des faibles quantités des nanoparticles. Les dispositifs conventionnels tels que le SQUID et le magnétomètre à échantillon vibrant (VSM) ne peuvent être utilisés que pour caractériser les propriétés magnétiques de grand volume d'échantillon de matériaux magnétiques, alors que les micro-SQUIDs pourraient caractériser les propriétés magnétiques à l'échelle nanométrique des matériaux avec la contrainte de fonctionnement à basse température (T < 4K). Par conséquent, le développement de nouveaux dispositifs de capteurs ultrasensibles consacrés à la détection de très petites quantités de nanoparticules de la température ambiante à des températures élevées est un sujet important pour amener les connaissances physiques des nanomatériaux à la frontière de la science. Le capteur à effet Hall planaire est l'un des capteurs à magnétorésistance les plus prometteurs pour la caractérisation et la détection de petits échantillons de nanoparticules magnétiques. Au cours des deux dernières décennies, les améliorations des structures du capture Hall planaire [1-3] et des géométries [4,5] du capteur Hall planaire ont permis d'améliorer sa stabilité thermique, sa sensibilité au champ magnétique, et augmenté sa réponse électrique,. En comparaison avec d'autres capteurs à magnétorésistance, le capteur à effet Hall planaire a un rapport signal sur bruit élevé, une réponse linéaire à faible champ magnétique, de grandes surfaces actives qui est une caractéristique importante pour les applications biologiques, et une stabilité thermique élevée. A base de ces avantages, le capteur PHR a été utilisé dans de nombreuses applications biologiques pour la détection et la manipulation de molécules biologiques. Le principe de détection dans ces applications se base sur la détection du champ magnétique créé à partir de micro ou nanoparticules attachées sur des molécules biologiques. Ce principe de détection simple, en plus des caractéristiques distinctives du capteur, rend la bio-détection utilisant les capteurs à effet Hall planaires une acquisition flexible, facile et rapide. Le capteur Hall planaire a été utilisé pour étudier la cinétique d'hybridation de l'ADN [6], et pour mesurer la dénaturation de l'ADN sous l'effet de la température ou du sel [7]. En plus de ces applications biologiques, le capteur à effet Hall planaire peut être utiliser pour les applications industrielles telles que l'inspection des oléoducs et gazoducs [8], les applications automobiles et les applications spatiales notamment dans les nouvelle génération des nano ou picosatellite V Dans le domaine de la magnétométrie, le groupe de recherche de l'INSERM Montpellier, que j'ai joint pour mener ce travail, a mis au point un magnétomètre ultrasensible pour détecter pour la première fois l'hystérésis thermique d'une très petite quantité de matériaux de transition de spin à l'aide d'un capteur planaire Hall ultra-sensible [9,10] en collaboration avec le laboratoire de chimie de coordination, LCC Toulouse (France), et le laboratoire Nano Bio-Matériaux & Spintronique au DGIST (Daegu, Corée). Cette réalisation a ouvert la voie à l'utilisation de ce capteur magnétique comme un dispositif ultrasensible pour la caractérisation de petites quantités de nanoparticules à la température ambiante. Dans cette thèse, je présente les détails d'investigation sur les capteurs à effet Hall planaires très sensibles pour pouvoir détecter et caractériser avec une haute précision de petites quantités de nanoparticules dans un environnement instable. Les résultats issus de cette thèse prouvent être rapidement appliquées à d'autres applications telles que les applications d’automobile, les applications 'industrie, les applications spatiales et les sciences de la vie. Cette thèse est divisée en cinq chapitres: Le chapitre 1 : Je présente une étude complet des développements du capteur à effet Hall planaire, de la définition des concepts et les principes de base théoriques aux développements de la structure du capteur et des géométries du capteur. Ce chapitre fournit une connaissance de base pour comprendre les principes de fonctionnement du capteur. Le chapitre 2 : Je présente les procédés expérimentaux de la microfabrication du capteur en passant par la croissance du multicouche par pulvérisation cathodique à la conception et la réalisation de formes de capteur par technique de photolithographie. Le chapitre 3 Je présent le détail des simulations théoriques des interactions magnétiques entre un capteur magnétique et des microparticules et nanoparticules magnétiques. La détection de microparticules et nanoparticules magnétiques par un capteur à effet de Hall planaire est essentiellement contrôler par la distribution du champ magnétique créé à partir de ces microparticules ou nanoparticules magnétiques sur la surface active du capteur Par conséquent, il est très important de comprendre la distribution de ces champs magnétiques. VI Dans la première partie de ce chapitre, je présente une étude théorique de l'interaction entre des micro ou nanoparticules magnétiques et la surface du capteur en fonction de la taille des particules et de la taille du capteur. Je présente également l'étude du champ magnétique distribué créé à partir de micro ou nanoparticules magnétiques sur le capteur magnétique et la possibilité d'améliorer ce champ en optimisant la géométrie du capteur. Dans la deuxième section de ce chapitre, je présente une étude théorique du champ magnétique traversant un capteur en forme de "ring" ainsi que la variation du moment magnétique des particules magnétisées par ce champ. Afin d'augmenter la magnétisation des particules sans affecter leur stabilité thermique et celle du capteur, une nouvelle approche est proposée. Le chapitre 4 : Je focalise sur les comportements thermiques du capteur. En effet, la haute résolution du capteur est fortement dépendante de sa stabilité thermique, notamment pour la caractérisation des matériaux magnétiques, les applications biologiques et spatiales. Dans la première section de ce chapitre, je présente une nouvelle méthode pour stabiliser la sensibilité du capteur lorsque la température passe de 110 K à 360 K en contrôlant l'interaction entre l'énergie Zeeman, l'énergie d'échange et l'énergie anisotrope du capteur. Cette méthode permet une stabilité thermique la plus élevée de la sensibilité du capteur par rapport aux autres capteurs MR tel que le capteur à magnétorésistance géante (GMR) ou le capteur à magnétorésistance à effet tunnel. De plus pour une compréhension approfondie de l'origine de la stabilité thermique du capteur, j'étudie la variation du champ d'échange, du champ de coercivité et de la résistivité anisotrope en fonction de la température. De plus, j'ai mis en évidence un petit changement de l'axe de facile aimantation de capteurs induit par le changement de température. La variation de l'énergie d'anisotropie en fonction de la température il a également été étudié Dans la deuxième partie de ce chapitre, j’étudie la stabilité des capteurs dans des environnements thermiques tels que ceux imposés par les applications spatiales ou industrielles. J'étudie la variation de la tension PHR, le décalage de la tension du capteur, la sensibilité, la durabilité et le bruit thermique du capteur dans la plage de température entre -80 ° C jusqu’à 140 ° C. La transition de la magnétorésistance anisotrope de capteurs de l'anisotropie magnétique uniaxiale à l'anisotropie magnétique biaxiale sera mise en évidence dans cette section. La capacité du capteur à fonctionner très efficacement dans ces environnements thermiques difficiles a également été montrée. VII Dans la dernière section de ce chapitre, j'étudie pour mettre en évidence que le capteur magnétique peut fonctionner à des températures extrêmement basses jusqu'à 5 K, le fonctionnement à cette basse température permet au capteur d'être utilisé dans des applications spatiales. Le comportement électromagnétique du capteur et la variation de sa sensibilité ont été étudiés. Le chapitre 5 : Je focalise sur la détection du «champ magnétique surprenant» récemment rapporté dans les nanoparticules d'or. Des quantités infinitésimales (2 microgrammes) de nanoparticules Au ayant différentes tailles et états ont été caractérisées a la température ambiant. Notamment, ces petites quantités de nanoparticules d'or ne peuvent pas être caractérisées à l'aide de dispositifs actuels de tels que SQUID, micro et nano SQUID. En effet, la sensibilité de notre configuration est de quatre fois magnitudes supérieures à celle du SQUID, ce qui permet de détecter une très faible aimantation c'est à dire (10-14 emu) là où le SQUID conventionnel atteint (10-7 emu en usage courant) et 10-10 emu donné par le constructeur en théorie. Un des résultats préliminaires révèle clairement que le champ magnétique présent sur la nanoparticule d'or est amplifié par la fonctionnalisation. Ces premiers résultats sur des quantités aussi très faibles (2 microgrammes) semblent concorder avec une distribution de charges de surface due à la présence de fonctionnalisation polyéthylène glycol qui induisait la plus forte susceptibilité observée des nanoparticules d'or. Des mesures supplémentaires sur l'effet de taille et le type de fonctionnalisation doivent être réalisées pour progresser dans la compréhension du champ magnétique inattendu.