Magnetic tunneling junctions for biosensing and antiferromagnet-based spintronic devices

Since the discovery of giant magnetoresistance in 1988 and its breakthrough application in data storage technology, magnetoresistive phenomena have been extensively studied and nowadays constitute the core of a variety of spintronic devices. Among them, magnetoresistive sensors in combination with magnetic markers are particularly suited for biosensing applications due their high sensitivity and ease of integration in compact lab-on-a-chip platforms. This thesis deals with the realization and optimization of a biosensing platform based on magnetic tunneling junctions (MTJs), and on the development of novel spintronic devices comprising tunneling junctions whose magnetoresistance is governed by antiferromagnets, with no ferromagnets. The starting point of this work was the fabrication of MTJ-based sensor arrays by magnetron sputtering and optical lithography. This task was carried out starting from the optimization of the single functional layers, up to the final integration of the microfabricated sensor chips with the microfluidic platform and with a multiplexed electronic setup for data acquisition. Our preliminary experiments on the detection of magnetic bead sedimentation led to the formulation of a new model for the sensor sensitivity to the magnetic markers, whose predictions were confirmed experimentally. Such model can be used for identifying the optimal working point on the sensor magnetoresistive curve, in order to maximize the sensitivity and reduce the limit of detection of the assays, as well as for realizing novel improved sensors starting from the design of their magnetic response. The maximization of the sensor sensitivity was investigated also from the point of view of the spatial distribution of the magnetic beads on the sensor area. For addressing experimentally this issue in biomolecular recognition experiments, we developed a technique based on conventional optical lithography for creating micron-sized patterns of probe biomolecules such as single strand DNA. The detection of synthetic DNA hybridization events was successfully carried out both in conventionally functionalized and biopatterned sensors, showing a significant increase in the binding signal on biopatterned sensors, consistent with calculations. Our biosensing platform was also employed for detecting natural Hepatitis E virus DNA, with the aim of realizing an integrated Lab-on-a-Chip platform for the point-of-care detection of pathogens in the agri-food industry. MTJ-based sensors, due to their extremely high sensitivity to weak magnetic fields, are very promising for the study of the activity of neural cells in-vitro through the detection of the magnetic fields generated by ionic currents. In these studies, the control over the growth and orientation of neurons with respect to the sensor is fundamental to have a detectable signal. Such control can be achieved patterning gradients of extracellular matrix (ECM) proteins in correspondence of the sensors. With this goal, we demonstrated that thermochemical nanolithography (TCNL) can be used for patterning gradients of ECM proteins combining the high control over the protein concentration with a nanometric resolution. In parallel with the work on biosensing, the realization and studies on antiferromagnet-based tunneling junctions were carried out. The field of antiferromagnetic spintronics received a great boost with the demonstration of the first spintronic device whose transport is controlled by the tunneling anisotropic magnetoresistance (TAMR) in an antiferromagnet. Following this work, IrMn/MgO/Ta tunnel junctions (with no ferromagnetic materials) were fabricated in our group by sputtering and optical lithography. Field cooling experiments demonstrated the possibility to store magnetic information in such devices exploiting TAMR. In particular, two different metastable resistance states were reached performing field cooling across the Néel temperature of IrMn, with a different orientation of the applied magnetic field. In perspective, such tunneling junctions can be the starting point for developing a new kind of thermally assisted MRAM devices based on TAMR in antiferromagnets.

Dalla scoperta della magnetoresistenza gigante nel 1988 e delle sue applicazioni nel campo delle memorie, i fenomeni di magnetoresistenza sono stati studiati estensivamente e oggi costituiscono la base per la realizzazione di una moltitudine di dispositivi spintronici. Tra questi, i sensori magnetoresistivi combinati con marker magnetici sono particolarmente adatti per il biosensing grazie all’elevata sensitività e facilità di integrazione in piattaforme Lab-on-Chip. Questa tesi tratta della realizzazione e ottimizzazione di una piattaforma di biosensing basata su giunzioni magnetiche a effetto tunnel (MTJs), e sullo sviluppo di nuovi dispositivi spintronici basati su giunzioni a effetto tunnel la cui magnetoresistenza è governata da materiali antiferromagnetici, senza materiali ferromagnetici. Il punto di partenza del lavoro è stato la fabbricazione di arrays di sensori magnetici con magnetron sputtering e litografia ottica. Si è partiti dall’ottimizzazione delle funzionalità dei singoli layer, fino all’integrazione finale del chip con i sistemi microfluidici e di acquisizione dati. Gli esperimenti preliminari di rilevazione della sedimentazione di beads magnetici hanno portato alla formulazione di un nuovo modello per la sensitività del sensore ai marker magnetici, le cui predizioni sono state confermate sperimentalmente. Questo modello può essere utilizzato per identificare il punto di lavoro ottimale sulla curva di magnetoresistenza, con lo scopo di massimizzare la sensitività e ridurre il limit of detection (LOD) nelle analisi, e per la realizzazione di nuovi sensori dalle prestazioni migliori partendo dalla progettazione della sua risposta magnetica. Il problema di massimizzare la sensitività è stato studiato anche dal punto di vista della distribuzione spaziale dei beads magnetici sull’area del sensore. Per rispondere a questa necessità nell’ambito di esperimenti di riconoscimento molecolare, abbiamo sviluppato una tecnica basata sulla litografia ottica per funzionalizzare con biomolecole (i.e. DNA) delle regioni di dimensioni micrometriche. Esperimenti di rilevazione dell’ibridazione di DNA sintetico sono stati portati a termine con successo sia con sensori funzionalizzati convenzionalmente sia con sensori funzionalizzati selettivamente, dimostrando un aumento significativo del segnale di ibridazione nel sensore patternato, in accordo con le simulazioni. La nostra piattaforma di biosensing è stata anche utilizzata per la rilevazione di DNA naturale di Epatite E, con lo scopo di realizzare una piattaforma Lab-on-Chip integrata per analisi Point-of-care di patogeni nel campo dell’agrifood. I sensori magnetici basati su MTJ, grazie alla loro elevata sensitività ai campi magnetici, sono promettenti per lo studio dell’attività neuronale in-vitro mediante il rilevamento dei campi magnetici generati dalle correnti ioniche. In questo tipo di studi, è necessario controllare l’orientazione dei neuroni rispetto al sensore per avere un segnale rilevabile. Con questo scopo, è stato dimostrato che è possibile utilizzare la Termochemical Nanolithography (TCNL) per creare pattern di proteine ECM (ExtraCellular Matrix), combinando il preciso controllo sulla concentrazione delle proteine immobilizzate, alla risoluzione nanometrica. In parallelo al lavoro sul biosensing, sono stati realizzati dispositivi basati su giunzioni antiferromagnetiche. Il campo della spintronica basata su antiferromagneti ha ricevuto un’importante spinta dalla dimostrazione del primo dispositivo le cui proprietà di trasporto sono controllate dalla magnetoresistenza tunnel anisotropica (TAMR) in un antiferromagnete. Partendo da questo lavoro, abbiamo fabbricato giunzioni IrMn/MgO/Ta (senza materiali ferromagnetici) tramite sputtering e litografia ottica. Con esperimenti di field-cooling è stata dimostrata la possibilità di immagazzinare informazione nelle giunzioni sfruttando la TAMR. In particolare, è stato possibile individuare due stati metastabili caratterizzati da una diversa resistenza elettrica effettuando un field-cooling attraverso la temperatura di Néel dell’IrMn con una diversa geometria del campo magnetico esterno. In prospettiva, giunzioni magnetiche di questo tipo costituiscono il punto di partenza per sviluppare un nuovo tipo di memoria MRAM basata sulla TAMR negli antiferromagneti.