Development of nano Hall sensors for high resolution scanning Hall probe microscopy

Abstract

Taramalı Hall Aygıtı Mikroskobu (THAM), manyetik ve süperiletken malzemeleri yüksek uzaysal ve manyetik alan çözünürlüğü ile inceleyebilen tahribatsız ve nitel bir manyetik görüntüleme yöntemidir. İlk olarak 1992 yılında gösterilen yöntem hızla gelişerek etkin bir manyetik görüntüleme yöntemi olarak kabul görmüş ve ticari ürün haline de getirilmiştir. Bu tezde çeşitli çok katmanlı yarıiletken malzemeler ve Bizmut ince film kullanılarak 50-1000nm aktif fiziksel alana sahip Hall algılayıcıların üretimi, karakterizasyonu ve 4.2-425K sıcaklık aralığında THAM görüntülemesi başarılmıştır.Elektriksel iletkenliği olmayan örneklerin incelenmesine olanak sağlayan Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) geri beslemesini kullanmak için Hall aygıtlarının kuvartz kristal çatallara entegrasyonu geniş bir sıcaklık aralığında ilk defa gösterilmiştir. Yöntemin performansı ve çalışma kararlılığı 4.2-425K sıcaklık aralığında fiziksel aktif alan büyüklükleri 1×1?m olan farklı Hall aygıtlarla sabit disk örneği kullanarak başarılı bir biçimde gösterilmiştir. Benzer şekilde Fe katkılı Bizmut, termal olarak de-manyetize edilmiş NdFeB mıknatıs ve BSCCO(2212) tek kristal yüksek sıcaklık süperiletkeni de aynı yöntem ile görüntülenerek yöntemin çok değişik numunelerin incelenmesinde uygulanabilirliği ispatlandı. Geliştirdiğimiz bu yöntem sayesinde literatürde elektriksel iletkenliği olmayan örnekleri incelemek için önerilen karmaşık mikro-yay üretim yöntemlerine olan gereksinim ortadan kalkmıştır.Yüzey manyetik alanlarının uzaysal değişimini gözlemlemek için kullanılabilecek özgün bir gradyometre yöntemi ilk defa gösterilmiş ve bu yöntem manyetik alan dağılımının her üç uzaysal bileşenini, x, y ve z, 1?m'lik Hall algılayıcılar yardımı ile görüntülemek için kullanılmıştır. Yöntemin geçerliliğini göstermek için bir sabit disk örneğin manyetik alan profili 77K sıcaklıkta üç boyutlu (3B) olarak haritalandırılmıştır.

Scanning Hall Probe Microscopy (SHPM) is a quantitative and non invasive method of local magnetic field measurement for magnetic and superconducting materials with high spatial and field resolution. Since its demonstration in 1992, it is used widely among the scientific community and has already commercialized. In this thesis, fabrication, characterization and SHPM imaging of different nano-Hall sensors produced from heterostructure semiconductors and Bismuth thin films with effective physical probe sizes ranging between 50nm?1000nm, in a wide temperature range starting from 4.2K up to 425K is presented.Quartz crystal tuning fork AFM feedback is demonstrated for the first time for SHPM over a large temperature range. Its performance has been analyzed in detail and experiments carried with 1×1?m Hall probes has been successfully shown for a hard disk sample in the temperature range of 4.2K to 425K. Other samples, NdFeB demagnetized magnet, Bi substituted iron garnet and, single crystal BSCCO(2212) High Temperature superconductor were also imaged with this method to show the applicability of the method over a wide range of specimens. By this method, complex production steps proposed in the literature to inspect the non?conductive samples were avoided.A novel Scanning Hall probe gradiometer has also been developed and a new method to image x, y & z components of the magnetic field on the sample surface has been demonstrated for the first time with 1?m resolution. 3D field distribution of a Hard Disk sample is successfully measured at 77K using this novel approach to prove the concept.