Efekt gigantycznego magnetooporu

Działania realizowane dzięki dofinansowaniu w ramach
Konkursu na projekty studenckie dla kół naukowych Politechniki Lubelskiej.

1. Opracowanie urządzenia pomiarowego dla cienkowarstwowych rezystorów wykazujących efekt gigantycznego magnetooporu -  17.11.2021 - 30.09.2022 (zakończony)

Efekt gigantycznego magnetooporu (GMR) obserwowany jest w cienkich warstwach złożonych z materiałów ferromagnetycznych rozdzielonych warstwami niemagnetycznymi przewodzącymi prąd elektryczny. Zakres zastosowań technologii GMR jest bardzo szeroki i obejmuje przemysł lotniczy, kosmiczny oraz motoryzacyjny, a także nieniszczące badania materiałów po techniki biomedyczne. Wydaje się więc, że potencjał technologii magnetorezystancyjnej jest daleki od wyczerpania.
Członkowie Koła Naukowego „Semicon” otrzymali dofinansowanie z programu „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje” na opracowanie technologii rezystorów cienkowarstwowych wykazujących efekt GMR. Efektem wymiernym tego projektu jest wytworzenie różnych wariacji materiałowo-konstrukcyjnych rezystorów oraz ich przetestowanie w celu optymalizacji działania takiego przyrządu. Obecnie zostało już wykonane ponad 150 sztuk rezystorów o 10 różnych geometriach (po kilkanaście przyrządów dla każdej wariacji), a do pomiaru zmiany ich rezystancji w polu magnetycznym o różnych wartościach indukcji stosowane są mierniki laboratoryjne.
Celem niniejszego projektu jest dobór metody pomiarowej dla jak najdokładniejszego pomiaru zmian rezystancyjnych oraz zaprojektowanie układu elektronicznego i opracowanie urządzenia do pomiaru wykonanych rezystorów cienkowarstwowych. Pozwoli to na uzyskanie autonomicznego urządzenia z wymiennym rezystorem cienkowarstwowym do pomiaru natężenia pola magnetycznego.
Prace były podzielone na kilka etapów. Pierwszy z nich był związany z opracowaniem urządzenia pomiarowego na bazie uniwersalnych modułów programowalnych oraz, równolegle, były analizowane i testowane metody pomiaru rezystancji. Kluczowym problemem jest dokładność pomiarowa rezystancji w niewielkim zakresie jej zmian, na poziomie 0.1-0.2%. Dlatego, w kolejnym etapie prac został zaprojektowany dedykowany układ elektroniczny wykorzystujący dobraną metodę pomiarową.

Więcej informacji o projekcie

2. Opracowanie dedykowanego stanowiska pomiarowego z ruchomym, automatycznie sterowanym stolikiem dla struktur cienkowarstwowych wykazujących efekt gigantycznego magnetooporu -  17.11.2022 - 30.09.2023

Członkowie Koła Naukowego „Semicon” w ramach projektu z programu Ministra Edukacji i Nauki „Studenckie koła naukowe tworzą innowacje” wytworzyli kilkaset struktur cienko-warstwowych (grubości ok. 70 nm) wykazujących efekt gigantycznego magnetooporu (GMR). W tym celu wykorzystano proces rozpylania magnetronowego urządzeniem będącym na wyposażeniu Katedry Elektroniki i Technik Informacyjnych. Ponadto, w ramach konkursu dla kół naukowych w Politechnice Lubelskiej (I tura 2021/22) opracowano urządzenia, które precyzyjnie wykonują pomiar wartości rezystancji wytworzonych przyrządów w obecności pola magnetycznego generowanego przy użyciu elektromagnesów lub magnesów neodymowych zamocowanych na prowadnicy liniowej.
Celem niniejszego projektu jest dalszy rozwój podjętej tematyki i opracowanie całościowego stanowiska pomiarowego, które umożliwi automatyczne wykonywanie pomiarów rezystancji dla różnego położenia przyrządu w polu magnetycznym. Prace będą wymagały zaprojektowania i wykonania ruchomego stolika sterowanego automatycznie za pomocą mikrokontrolera, na którym będzie mocowana struktura cienkowarstwowa w obudowie. Do przeprowadzenia pomiaru wartości rezystancji zostaną użyte opracowane przez członków koła urządzenia pomiarowe i/lub profesjonalny multimetr (Keysight 34410A). Opracowane stanowisko umożliwi wykonywanie charakterystyk zależności rezystancji od płaszczyzny położenia struktury cienkowarstwowej względem linii sił pola magnetycznego. Jest to standardowy sposób stosowany w artykułach naukowych do opisania działania wytworzonych struktur cienkowarstowywych wykazujących efekt GMR. Obecnie, w celu wykonania charakterystyk rozystancji w obecności pola magnetycznego dla położenia w 3 różnych płaszczyznach, pomiary wykonuje się ręcznie, zmieniając za każdym razem mocowanie struktury. Identyczna sytuacja jest przy pomiarze charakterystyki rezystancji w zależności od kąta (0°–90°) położenia struktury względem linii sił pola magnetycznego.
Proponowane opracowanie stanowiska wymaga zaprojektowania automatycznej podstawy ruchomej z kontrolowanym kątem położenia struktury pomiarowej względem linii sił pola magnetycznego. Ze względu na obecność silnego pola magnetycznego (~0.3 T) w miejscu pomiaru (ruchomy stolik ze strukturą), konieczne będzie przygotowanie elementów do jego budowy bez zastosowania układów elektronicznych lub metalowych. Ich położenie musi być w odpowiedniej odległości od źródła pola, zaś ruch należy przenieść np. za pomocą kół zębatych lub pasków klinowych.
Całość będzie sterowana za pomocą mikrokontrolera z opracowanym dedykowanym oprogramowaniem. A w przypadku zastosowania multimetru Keysight 34410A również programu w środowisku Matlab bądź LabView.
W celu ograniczenia wpływu zakłóceń na wyniki pomiarowe, planowane jest również umieszczenie mierzonej struktury w specjalnie zbudowanej klatce Faradaya dopasownej do rozmiarów stanowiska.
Podsumowaniem całego projektu będzie przygotowanie przynajmniej jednego artykułu do czasopisma o zasięgu międzynarodowym zawierającym opis stanowiska, technologię oraz wyniki pomiarów wytworzonych struktur cienkowarstwowych wykazujących efekt GMR.