Spintronic transducers based on magnetic tunnel junctions for biomolecular recognition

This thesis work is focused on the development, optimization and characterization of magnetoresistive spintronic biosensors based on magnetic tunnel junctions (MTJs) with MgO insulating barriers. The work has been realized in Prof. Bertacco spintronics group at the LNESS Center- Dipartimento di Fisica of the Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. A common approach exploited in biosensors is to attach to the target molecule a label which produces an externally observable signal. In this case magnetic labels (beads) are specifically attached to the target molecules. When the molecules are immobilized upon the sensor surface through molecular recognition, the beads’ magnetic stray field modifies the relative alignment of the magnetizations of the two electrodes, inducing a variation in the electrical resistance of the sensor (magnetoresistance). MTJ-based sensors arouse a great interest because they combine extremely large sensitivities with high portability and low production costs. The realization of a complete sensor involves several processes. First a stack of 11 layers of thin films is deposited through sputtering, then it is patterned through multiple optolithographic steps and finally it undergoes a suitable thermal treatment. In the framework of the thesis, both the realization and the subsequent characterization of the sensors were performed; in particular, the study of the magnetic properties (exchange bias, bilayer coupling, magnetic anisotropies) and of the linearization of the output has involved both experiments and simulations (OOMMF software). The work can be summarized as follows. Deposition of the multilayered stack by Magnetron Sputtering: optimization of the sputtering deposition parameters, optimization of the stack structure, atomic force microscopy characterization of layers' surface, magneto-optic Kerr effect characterization of magnetic heterostructures. Lithographic patterning: optimization of the parameters of the lithographic process, optimization of the Ion Beam Etching procedure. Optimization of the thermal treatment. Characterization of the complete sensors through tunnelling magnetoresistance measurements.

Il lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo, l'ottimizzazione e la caratterizzazione di biosensori magnetoresistivi basati su giunzioni magnetiche ad effetto tunnel (MTJ) con barriera isolante di MgO. Il lavoro è stato realizzato nel gruppo di spintronica del Prof. Bertacco al centro LNESS-Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, Polo Regionale di Como. Un approccio molto utilizzato nei biosensori consiste nel legare alle molecole da rilevare dei marker che producono un segnale facilmente individuabile. In questo caso, i marker sono costituiti da particelle magnetiche. Quando le molecole vengono legate alla superficie del sensore attraverso il riconoscimento molecolare, il campo magnetico generato dai marker modifica l’allineamento relativo delle magnetizzazioni dei due elettrodi ferromagnetici, inducendo una variazione nella resistenza elettrica del sensore (magnetoresistenza). I biosensori basati sulle MTJ destano un grande interesse poiché combinano elevata sensitività, alta portabilità e bassi costi di produzione. Il processo di realizzazione di un sensore completo si articola in diverse fasi. Viene inizialmente cresciuta tramite sputtering una struttura composta da 11 strati. Successivamente viene fabbricato il dispositivo tramite litografia ottica. Infine si effettua un opportuno trattamento termico. Il lavoro di tesi ha riguardato sia la realizzazione sia la caratterizzazione dei sensori; in particolare è stato affrontato lo studio delle proprietà magnetiche (exchange bias, accoppiamento bilineare, anisotropia magnetica) e della linearizzazione della risposta del sensore sia dal punto di vista sperimentale sia tramite simulazioni con il software OOMMF. La tesi ha affrontato le seguenti tematiche. Deposizione della struttura tramite magnetron sputtering: ottimizzazione dei parametri di deposizione, ottimizzazione della struttura, caratterizzazione delle superfici con AFM, caratterizzazione di eterostrutture magnetiche tramite misure MOKE. Litografia ottica: ottimizzazione dei parametri di litografia, ottimizzazione della procedura di Ion Beam Etching, ottimizzazione del trattamento termico. Caratterizzazione del sensore con misure di magnetoresistenza.