Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых функциональных материалов для сенсоров магнитного поля на основе эффектов гигантского и туннельного магнитосопротивления для систем позиционирования

Номер контракта: 14.575.21.0039

Руководитель: Огнев Алексей Вячеславович

Должность: Доцент

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноструктуры, перпендикулярная анизотропия, туннельное магнитосопротивление, сенсоры магнитного поля

Цель проекта:
Разработка магнитных материалов, состоящих из плёнок кобальта и никеля и способов контроля плоскостной и перпендикулярной магнитной анизотропии в них, с последующим созданием высокочувствительных сенсоров магнитного поля для использования в системах позиционирования автономных аппаратов

Основные планируемые результаты проекта:
Проведено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/оксид» на основе магнитных материалов из плёнок Co с эффектом туннельного магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией.
Выполнено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/немагнитный материал» на основе магнитных материалов из плёнок Co с эффектом гигантского магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией.
Осуществлено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/оксид» на основе магнитных материалов из плёнок (Co/Ni)n с эффектом туннельного магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией.
Проведено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/немагнитный материал» на основе магнитных материалов из плёнок (Co/Ni)n с эффектом гигантского магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией.
Разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов магнитных материалов и наноструктур.
Проведено теоретическое исследование магнитотранспортных свойств наноструктур с эффектом туннельного магнитосопротивления и с плоскостной магнитной анизотропией.
Теоретически исследованы магнитотранспортные свойства наноструктур с эффектом туннельного магнитосопротивления и с перпендикулярной магнитной анизотропией.
Выполнены теоретические исследования влияния формы наноструктур на магнитные характеристики сенсоров магнитного поля.
Проведены теоретические исследования влияния формы наноструктур на магниторезистивные характеристики сенсоров магнитного поля.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.Экспериментальные образцы магнитных материалов на основе плёнок Co (Co/Ni)n, а также CoFeB с контролируемой плоскостной и перпендикулярной магнитной анизотропией
Экспериментальные образцы наноструктур на основе магнитных материалов – как базовые элементы сенсоров магнитного поля с эффектами туннельного и гигантского магнитосопротивления
Методики получения экспериментальных образцов магнитных материалов на основе плёнок Co и (Co/Ni)n, а также CoFeB с эффектом туннельного и гигантского магнитосопротивления
Экспериментальные образцы сенсоров магнитного поля
Эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы сенсоров
Технологическая инструкция для получения экспериментальных образцов сенсоров магнитного поля
Лабораторный технологический регламент по интеграции сенсоров магнитного поля с бортовыми системами навигации автономных аппаратов
2. Будут получены сенсоры магнитного поля с перпендикулярной анизотропией и эффектом туннельного магнитосопротивления.
3.Мы ожидаем, что чувствительность разрабатываемых сенсоров магнитного поля будет сравнима или лучше мировых аналогов, что улучшит энергоэффективность автономных аппаратов и точность их позиционирования. Это позволит значительно повысить уровень автоматизации производства, в частности, разведку полезных ископаемых, инспектирование трубопроводов и т.д.
4.Для достижения поставленных целей будут использованы новейшие высокоточные методы измерения магнитных параметров, современные технологии получения магнитных материалов и наноструктур.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые технологии создания высокочувствительных датчиков геомагнитных полей, могут быть использованы в системах навигации автономных аппаратов, в основном подводных роботов, а также аппаратов работающих в помещениях.
Необходимость в таких системах обусловлена невозможностью осуществлять позиционирование в сложных условиях с помощью ГЛОНАСС или GPS.
Возможными потребителями будут компании и КБ разрабатывающие автономную робототехнику. Для доведения результатов до потребителя будут задействованы выступления на конференциях, публикация результатов в специализированных журналах, в том числе, адресное предложение к сотрудничеству и совместным разработкам с компаниями.
Разрабатываемые датчики магнитного поля и системы могут найти широкое применение в связи с внедрение автономных аппаратов в промышленность.
Экспериментальные образцы сенсоров магнитного поля будут интегрированы в бортовые системы управления подводными автономными аппаратами. Работы будут проводиться совместно с совместно с ОАО "Концерн "Моринформсистема-Агат".
После проведения испытаний будут разработаны комплексы программно-аппаратных средств для систем навигации с использование сенсоров магнитного поля. Созданные технологические решения востребованы КБ и предприятиями разрабатывающие автономную технику.

Текущие результаты проекта:
Проведено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/ оксид» на основе магнитных материалов из плёнок Co с эффектом туннельного магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией.
Выполнено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/немагнитный материал» на основе магнитных материалов из плёнок Co с эффектом гигантского магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией.
Осуществлено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/ оксид» на основе магнитных материалов из плёнок (Co/Ni)n с эффектом туннельного магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией.
Проведено микромагнитное моделирование наноструктур типа «ферромагнетик/немагнитный материал» на основе магнитных материалов из плёнок (Co/Ni)n с эффектом гигантского магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией с перпендикулярной магнитной анизотропией.
Разработаны программы и методик испытаний экспериментальных образцов магнитных материалов и наноструктур.
Индустриальным партнером, за счет собственных средств, проведены следующие исследования: Теоретически исследованы магнитотранспортные свойства наноструктур с эффектом туннельного магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией.
Теоретически исследованы магнитотранспортные свойства наноструктур с эффектом туннельного магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией.
Теоретически изучено влияния формы наноструктур на магнитные характеристики сенсоров магнитного поля.
Теоретически исследовано влияние формы наноструктур на магниторезистивные характеристики сенсоров магнитного поля.
Результаты выполненных работ соответствует требованиям Технического задания и нормативной документации. Полученные результаты являются оригинальными и новыми.
Состав выполненных работ удовлетворяет условиям Соглашения о предоставлении субсидии, в том числе Техническому заданию и Плану-графику исполнения обязательств.
Содержание отчётной документации соответствует условиям Соглашения о предоставлении субсидии, в том числе Техническому заданию и Плану-графику исполнения обязательств.
Основные характеристики полученных результатов, с указанием элементов новизны.
С помощью моделирования наноструктур типа «ферромагнетик/ оксид» (Co/MgO) с плоскостной магнитной анизотропией установлено, что дефекты могут существенно уменьшать критические поля процесса намагничивания. Впервые показано влияние пинхолов на конфигурацию спинов ультратонких оксидных прослойках. Продемонстрирована возможность динамического контроля конфигураций намагниченности в наноструктурах.
Микромагнитным моделированием наноструктур типа «ферромагнетик/немагнитный материал» (Co/Cu) с эффектом гигантского магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией показано влияние анизотропии формы и анизотропии наведённой ступенями подложки на магнитные свойства наноструктур. Впервые установлено, что перемагничивание нанополосок осуществляется не разворотом вектора намагниченности, а движением вихря по доменным границам в нанополоске.
Расчеты магнитных свойств наноструктур «ферромагнетик/ оксид»((Co/Ni)n/MgO/(Co/Pt)m) с эффектом туннельного магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией показали, что косвенное обменного взаимодействие незначительно влияет на процессы перемагничивания в наноструктурах с ПМА. Используя полученные конфигурации намагниченности, рассчитаны магниторезистивные кривые. Установлена величина максимального магниторезистивного эффекта, который можно получить в наноструктурах на основе пленок (Co/Ni)n.
Расчеты магнитных свойств наноструктур «ферромагнетик/немагнитный материал» ((Co/Ni)n/Ta/(Co/Ni)n) с эффектом гигантского магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией с перпендикулярной магнитной анизотропией показали, что варьируя геометрическими параметрами нанодисков с ПМА возможно получения микромагнитных конфигураций «с»-типа или скирмионов. Установлено, что в обоих случаях наблюдаются резкие изменения сопротивления. Это позволяет использовать данные структуры в качестве сред для записи информации или спиновые вентили.
Теоретическое исследование магнитотранспортных свойств наноструктур с эффектом туннельного магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией позволило установить влияние параметров прослойки на магнитные и магниторезистивные характеристики сенсоров магнитного поля. Установлено, что в магнитных туннельных переходах (МТП), существуют шумы и они ограничивают чувствительность МТП датчиков. Шумы в МТП содержат электронную и магнитную информацию и выявление происхождения этих шумов может помочь понять электронный транспорт и магнитную динамику.
Рассмотрены источники шума в МТП и показаны эффективные подходы к снижению шума МТП датчиках. Проведен теоретический анализ и математическое моделирование для установления связи между мощностью шума и каждым отдельным параметром системы МТП сенсоров. Было поведено сравнение опубликованных экспериментальных данных с результатами моделирования. Обсуждаются некоторые возможные методы устранения шумов в МТП датчиках. Например, отжиг может привести к повышению отношения ТМС и шумовых характеристик за счет оптимизации шероховатостей границы раздела слоев, повышения термической стабильности магнитных слоев и удаления дефектов в барьерах. Повышение качества туннельного барьера имеет решающее значение для улучшения характеристик МТП датчика. Проанализированы известные источники шума в сенсорах с магнитными туннельными переходами. Приведены теоретические модели возникающих шумов для объяснения того, как каждый параметр вносит вклад в общий уровень шума. На основе результатов анализа предлагаются подходы для устранения шумов, применительно к высокочувствительным сенсорам магнитного поля.
В рамках теоретического исследования магнитотранспортных свойств наноструктур с эффектом туннельного магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией (CoFeB/MgO/CoFeB) был выполнен обзор результатов о природе перпендикулярной магнитной анизотропии в многослойных материалах. Приведены наиболее перспективные материалы для создания сенсоров магнитного поля с перпендикулярной магнитной анизотропией. Особое внимание уделено оптимизация и изготовление магнитных туннельных переходов - наноструктур с туннельным магнитосопротивлением, с перпендикулярной анизотропией.
Проведение теоретического исследования влияния формы наноструктур на магнитные характеристики сенсоров магнитного поля, позволило установить особенности процессов перемагничивания массивов наноструктур различной формы с целью определения диапазона полей с линейной зависимостью намагниченности от внешнего магнитного поля. Впервые проведено исследование магнитных свойств наноструктур, упорядоченных в массивы. Впервые показано, что размер массива влияет на величину полей переключения намагниченности.
В результате теоретического исследования влияния формы наноструктур на магниторезистивные характеристики сенсоров магнитного поля, показаны варианты типичной структуры сенсоров магнитного поля, приведены характеристики сенсоров, совместно с сотрудниками ДВФУ разработано программное обеспечение позволяющее проводить расчет магнитосопротивления наноструктур с учетом ГМС и ТМС, в том числе сенсоров магнитного поля.