Science News (in English)

 

Outreach News (in German)

Our new phase noise analyzer FSWP from Rohde & Schwarz has just arrived. With this measurement device the phase noise (and also the amplitude noise) of both one-port and two-port devices under test (DUT) can be measured. One-port measurements are particularly necessary for the noise characterization of the oscillators used for the excitation of our sensors. However, the main feature of this device is the additional radio frequency (RF) source for so-called additive phase noise measurements, e.g. two-port measurements. Thus, we are now able to comprehensively analyze our new surface acoustic wave (SAW) magnetic field sensors [Kit 2018] regarding their noise behaviour. Last but not least the FSWP greatly supports the development of low-noise sensor electronics.

 

[Kit 2018] A. Kittmann, P. Durdaut, S. Zabel, J. Reermann, J. Schmalz, B. Spetzler, D. Meyners, N. X. Sun, J. McCord, M. Gerken, G. Schmidt, M. Höft, R. Knöchel, F. Faupel, and E. Quandt: Wide Band Low Noise Love Wave Magnetic Field Sensor System; Scientific Reports, vol. 8, no. 278, January 2018; http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-18441-4

A highlight, especially for the team of the projects B2 and B6 of the CRC 1261, was the magnetic measurement of nerve signals with a 304 SQUID vector magnetometer at the PTB in Berlin. For further development and also for optimization of our uncooled magnetoelectric (ME) sensors, a better understanding of spectral power distribution and signal strength of nerve signals is of particular interest. Since the magnetic field of human nerve pulses is quite low, only signal amplitudes in the fT range from the deep nerve are measurable. The project B6 intensively prepared these measurements, since an earlier attempt at measuring the signals had completely failed. Finally, Christin Bald and Eric Elzenheimer succeeded in measuring nerve signals magnetically, which also fits to the current electrical gold standard (electroneurography). Signal amplitudes were subject dependent and ranged from 17 fT to 60 fT in a frequency range from 100 Hz to 1 kHz. The required averaging time was in the range of minutes, while for current ME sensors significantly longer averaging times are expected to be necessary.

 

Ron-Marco Friedrich recently reported on great progress the project project B7. Here, the aim is the detection of magnetically labeled cells for biomaterial scaffold characterization and first measurements of the magnetic field and localization of magnetic nanoparticles were successful. For the measurement, an ME sensor samples space over a surface with magnetic nanoparticles (Fig. 1). The magnetic field is measured and the inverse problem is solved to localize the sources of that magnetic field (Fig. 2).

Fig. 1: Sampling of the surface with magnetic nanoparticles using an ME sensor. The magnetic moment is aligned with the AC magnetic field.

 

   
Fig. 2: a) Reference sample with magnetic nanoparticles (red), b) Measured magnetic field (red – positive, blue - negative), c) Reconstructed sources of the magnetic field.

Good news from our central project Z2. Alexander Teplyuk (project Z2) has finished a new scheme for mounting and characterization of our cantilever-based ME sensors. Instead of of permanenty fixing the cantilevers on a mouning plate (as we did it so far), we can contact the cantilevers now in a non-permanent manner. This allows to adjust the resonance frequency of our sensors in an easy way. Consequently, sensor characterisation with a predetermined center frequency is possible now.

The video above shows how easy it is to install and contact the ME cantilevers with the new measurement setup. By using a simple torque wrench, it is possible to ajust the claming force which dircetly influcenes the resonance frequency. This allows to characterize a large set of sensors with exactly the same resonance behaviour.

Alexander Teplyuk (project Z2) had improved the head scanner with respect to scanning speed, robustness, and saftety means. It is ready now to be used for patient measurements. First evaluations have been performed in close cooperation with our medical project B5.

The scanner has reached the next level ...

 

Furthermore, a head phantom for emulation of a network of connected sources in the brain has been designed in close cooperation with the rearchers from project B3. Small coils can be arbitrarily placed at designated postions. This allows us to generate a variety of source configurations and we are able now to create the corresponding magentic fields on the surface of our artifical head.

 
  Schematic of an magnetoelectric cantilever sensor the magnified region represents the layer stacking of piezolectric (AlN), and the self biased magnetostrictive stack (Ta, Cu, MnIr, FeCoSiB). The arrow represents the bias field orientation.

For his work about magnetoelectric sensors in medical engineering Dr. Enno Lage, post doc at Kiel University, received an award for young researchers from the German Society for Materials Science (DGM, Deutsche Gesellschaft für Materialkunde). The prize was awarded at the annual conference of the DGM in Darmstadt on September 26th 2016. It honors outstanding achievements of young researchers in material science.

During his PhD, Enno Lage conducted his research on highly sensitive magnetoelectric sensors within the collaborative research center “Magnetoelectric Composites” at the Faculty of Engineering.

Those sensors show their highest sensitivity in presence of well-defined magnetic bias fields. For vector sensors and in densely arranged sensor-arrays each component needs an individually oriented bias field. Thus, the sources of bias fields, either generated with electromagnetic coils or with permanent magnets, are detrimental in terms of miniaturization.

In order to overcome these limitations, the researchers utilized the exchange bias effect which is well established in magneto-resistive sensing. The challenge in their approach was the precise adjustment of the bias field. The orientation of the internal bias field is crucial for the sensitivity. If one would simply substitute the external bias field by an internal field with same orientation and strength, the sensors would show a vanishingly small response and hence an alternative orientation had to be considered. Additionally, if the field is too large the sensitivity decreases, if it is too small the sensor behaves partially unbiased.

The followed approach led to the successful realization of self-biased magnetoelectric sensors and was suitable to combine sensor elements for vector sensing.

Corresponding publication:

Lage, E., Kirchhof, C., Hrkac, V., Kienle, L., Jahns, R., Knöchel, R., Quandt, E. and Meyners, D., 2012. Exchange biasing of magnetoelectric composites. Nature materials, 11(6), pp.523-529.

Lage, E., Woltering, F., Quandt, E. and Meyners, D., 2013. Exchange biased magnetoelectric composites for vector field magnetometers. Journal of Applied Physics, 113(17), p.17C725.

Lage, E., Urs, N.O., Röbisch, V., Teliban, I., Knöchel, R., Meyners, D., McCord, J. and Quandt, E., 2014. Magnetic domain control and voltage response of exchange biased magnetoelectric composites. Applied Physics Letters, 104(13), p.132405.

Today (September 15th, 2016) the inventors Robert Jahns, Holger Runkowske, and Reinhard Knöchel were informed from the European Patent Office that their idea on the "tuning fork" sensor principle is protected now by the European patent EP 2 811 314 B1. Congratulations to the inventors!

A "tuning fork" sensor basically consists of two ME sensors, which are arranged on top and at the bottom of a mounting block. The inverse orientation of the individual sensors with respect to the suspension point (FR-4 substrate in the picture below) leads to distinguishable output signals for magnetic and vibrational excitations. If a magnetic field is applied to the tuning fork, the cantilevers are bent in opposite directions (e.g. both away from the centre, black arrows). The outputs of the upper and lower cantilevers are opposite in phase with respect to a common ground and thus produce a differential-mode signal. In the case of vibrational coupling, the cantilevers are predominantly bent in the same direction (green arrows) and produce co-phase signals of the two sensor outputs (common mode). The comparison of a tuning fork sensor with a single cantilever sensor (see figure below) reveals that the tuning fork shows a limit of detection of approximately 500 fT/Hz1/2 – a very good LOD for magnetoelectric thin film sensors - whereas the individual magnetoelectric cantilevers, similar to those of which the tuning fork is composed, have sensitivities of approximately 5 pT/Hz1/2. With superimposed white noise the effect of the tuning fork is even more distinct. Whereas the tuning fork experiences an increase in noise level of about a factor of roughly 4, the single magnetoelectric sensor shows a rise of approximately two decades.

   
Magnetoelectric tuning fork sensor (a). LOD plots of tuning fork setup (c) in comparison to a single sensor (b) with and without additional superimposed wideband noise. The dashed auxiliary lines indicate the noise level and the LOD. The resonance frequency was 958 Hz.

 

Recently a new AlN deposition process was sucessfully established within the CRC 1261. Conventional sensors follow a certain deposition order, i.e. AlN-FeCoSiB, dictated by the temperature limitations of the magnetostrictive phase. This was overcome with the implementation of a low temperature AlN deposition process, which in turn allows the deposition of FeCoSiB as the first layer on the polished surface of a Si-wafer. The inversed deposition order further allows the optimization of the top electrode size.

There are several important results;

  • Low temperature AlN displayed comparable/superior microstructural and piezoelectric properties compared to the high temperature AlN thin films found in the literature.
  • The structural integrity i.e., amorphous structure of FeCoSiB, is preserved.
  • Measured sensors exhibit a higher signal-to-noise-ratio (SNR) compared to conventional AlN-FeCoSiB sensors.
  • The resulting SNR originates from the combined effect of the improved piezoemagnetic coefficient of FeCoSiB (when deposited on the smooth surface of a Si-wafer) and the much smaller dielectric loss tangent of AlN (compared to high temperature AlN).
  • An average magnetic sensitivity of 400 ± 37 fT/Hz1/2 is determined at the mechanical resonance of the sensor. This value corresponds to the lowest sensitivity ever obtained with thin film resonant sensors up-to-date.

Corresponding publication:

E. Yarar, S. Salzer, V. Hrkac, A. Piorra, M. Höft, R. Knöchel, L. Kienle, and E. Quandt: Inverse Bilayer Magnetoelectric Thin Film Sensor; Appl. Phys. Lett. 109, 022901 (2016); http://dx.doi.org/10.1063/1.4958728

 

Im Sommersemester 2017 schloss mit Jens Reermann der erste Promovend seine Doktorarbeit im SFB 1261 ab. Der 29-Jährige forschte über digitale Signalverarbeitung von hochempfindlichen, magnetoelektrischen Sensoren, um ihre Anwendbarkeit zu verbessern. Sein Doktorvater war Gerhard Schmidt, Professor für Digitale Signalverarbeitung und Systemtheorie an der CAU.

Mittlerweile sind die Sensoren so sensibel, dass sie den menschlichen Herzschlag über sein Magnetfeld messen können. Doch in realen Messumgebungen außerhalb des Labors, wie einer Klinik, existieren eine ganze Reihe von Störquellen, die das Messen und Auslesen von Signalen beeinträchtigen. Dazu gehören zum Beispiel Vibrationen durch Bewegungen, Gespräche oder das Magnetfeld der Erde. Hier setzt Reermanns Doktorarbeit „Signalverarbeitung für magnetoelektrische Sensorsysteme “ an. Um die Qualität der gemessenen Signale zu verbessern, forschte er daran, wie Störungen vermieden oder kompensiert werden können, zum Beispiel durch nachträgliches Herausrechnen der unerwünschten Werte. Aber auch ohne äußere Störungen würden die Sensoren selbst zurzeit noch zu sehr rauschen und damit die Messergebnisse verfälschen. „Deshalb habe ich die Herzströme parallel auch elektrisch gemessen und gleiche Abschnitte so lange überlagert, bis das Rauschen verschwindet“, erklärt Reermann.

Nach seinem Dualem Studium der Informations- und Elektrotechnik in Hamburg und einem Master in „Mikroelektronische Systeme“ zog es den gebürtigen Sauerländer nach Kiel. Es reizte Reermann, im Rahmen einer Doktorarbeit in die Tiefe zu forschen und das bisher Gelernte ganz neu anzuwenden. Als Absolvent einer Fachhochschule hatte Reermann an der CAU kein Problem, zu promovieren. Bei seiner Arbeit im SFB sei ihm seine praxisnahe Ausbildung sogar zugutegekommen. „Das Thema Magnetfeldsensoren fand ich spannend, und die Interdisziplinarität im SFB. Bei der Breite an Themen und der engen Zusammenarbeit lernt man hier jeden Tag etwas Neues.“ Die Integrated Research Training Group (IRTG) fördert innerhalb der Doktorandenausbildung sowohl diese Interdisziplinarität als auch die wissenschaftliche Eigenständigkeit. Qualifizierungsworkshops zu Arbeitstechniken und soft skills gehören ebenfalls zum Programm für Promovierende. „Man hat hier viele Professoren als Ansprechpartner. Das hat mir sehr geholfen, genauso wie die gemeinsamen Meetings mit den anderen Mitgliedern“, zieht Reermann Bilanz. „Es gibt zum Beispiel Students-Only-Meetings, in denen man sehr gut auf Augenhöhe diskutieren kann.“

Nach der Promotion geht es für Reermann jetzt in der Wirtschaft weiter. Im Bereich Sicherheitstechnik wird er in der Produktentwicklung arbeiten und sich unter anderem mit Schutzmasken beschäftigen: „Ich finde es spannend, Produkte herzustellen und dabei eng mit Nutzern und ihrem Feedback zu tun zu haben. Das hat für mich auch mit einer großen Verantwortung zu tun.“ Dass er einmal in die Wissenschaft zurückkehrt, schließt Reermann nicht aus. „Es hat wirklich Spaß gemacht, mit Jens Reermann zusammen zu arbeiten – ein sehr schlauer, sehr netter und sehr patenter junger Mann. Wir werden ihn im SFB vermissen“, so Doktorvater Schmidt.

Julia Siekmann, Pressestelle, CAU

Zum ersten Mal präsentierte sich in diesem Jahr die Universität  Kiel  dem nationalen und internationalen Publikum der Hannover Messe. Vom 24. bis 28. April stellten sich ihre vier Forschungsschwerpunkte vor und warben damit auch für den Forschungs- und Technologiestandort Schleswig-Holstein. Der Forschungsschwerpunkt KiNSIS zeigte aktuelle Themen der Grundlagen- und anwendungsorientierten Kieler Nanoforschung und stieß damit auf sehr großes Interesse bei Messepublikum und Ausstellern aus Industrie, Wissenschaft und Politik. Unter diesem Dach präsentierte sich auch der SFB 1261 mit seiner Forschung zu hochempfindlichen Magnetfeldsensoren.

Das Konzept ging auf: Fünf interaktive Exponate aus verschiedenen Bereichen der Nanowissenschaft, eine intensive Betreuung vor Ort durch Promovierende aus den jeweiligen SFBs und Arbeitsgruppen, ergänzt durch Fachvorträge zu anwendungsnahen Themen. Der KiNSIS-Stand war kontinuierlich sehr gut besucht und lenkte die Aufmerksamkeit der Messebesucher auf sich, darunter der schleswig-holsteinische Wirtschaftsminister Reinhard Meyer und Wissenschaftsstaatssekretär Rolf Fischer. Mit viel Begeisterung und Einsatz vermittelten die Promovierenden die Vielfalt und Interdisziplinarität der Kieler Nanoforschung und führten zahleiche Gespräche u.a. mit namhaften Unternehmen aus dem In- und Ausland, aber auch vielen Schülerinnen und Schülern sowie Studieninteressierten. 

Der SFB 1261 zeigte auf der Hannover Messe, wie in Zukunft extrem kleine biomagnetische Felder zum Beispiel des Gehirns oder des Herzens gemessen werden können. Mit dem eigens für die Messe hergestellten Demonstrator konnten Messebesucherinnen und -besucher die Auswirkungen extrem kleiner Magnetfelder auf einen biomagnetischen Sensor selbst untersuchen. Die Zusammenhänge dahinter erläuterten im Wechsel Phillip Durdaut, Patrick Hayes, Christine Kirchhof, Anne Kittmann, Rahel Kruppe und Lars Thormählen vom SFB. „Unsere Magnetfeldsensoren stießen auf großes Interesse, gerade bei Firmen aus der Medizintechnik und Studieninteressierten. Durch den Messestand konnten wir in kurzer Zeit sehr vielen Leuten unsere Arbeit hier in Kiel zeigen“, zog Thormählen am Ende der Woche Bilanz. Dr. Lorenz Kampschulte (Kiel Science Outreach Campus und Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften) begleitete den Bau der Exponate und entwarf für die speziellen Anforderungen vor Ort einen Tisch, an dem alle Exponate den Besuchern dialogorientiert präsentiert werden konnten. „Insgesamt war das viel Arbeit, aber wir haben es mit vereinten Kräften geschafft, in weniger als vier Monaten einen beeindruckenden Messeauftritt für KiNSIS hinzulegen“, so Kampschulte. Tisch und Exponate könnten auch in Zukunft für weitere Outreach-Veranstaltungen wie die Kieler Woche oder die Nacht der Wissenschaften zur Verfügung stehen. 

 

Übersicht aller KiNSIS-Exponate

Bilderstrecke auf Flickr

 

Am 24. Januar 2017 besuchte uns Jens Wellhöner, NDR 1 Welle Nord, um einen kurzen Radiobeitrag über unseren SFB zu erstellen. Bridget Murphy, Eckhard Quandt, Gerhard Schmidt, Günther Deuschl, Alexander Teplyuk und Mevlut Yalaz taten ihr Bestes um Herrn Wellhöner möglichst gut über die Themen unseres gemeinsamen Forschungsvorhabens zu informieren. Nun gibt es auch einen Radiobeitrag zu unserem SFB, der vor kurzem in der Sendung "Von Binnenland und Waterkant" gesendet wurde.

Auch wenn Jens Wellhöner mittlerweile in Kassel beim HR arbeitet, so ist er doch immer noch ein wenig mit Kiel verbunden: er hat einen Teil seines Studiums in Kiel absolviert und ab und an ist er auch bei der Welle Nord in Kiel. Wir hoffen natürlich, dass wir ihn noch öfter hier bei uns begrüßen dürfen und mit neuen Erfolgen aus dem SFB "versorgen" können.

 

Am 22. November 2016 fuhren die Mitglieder der IRTG des SFB 1261 zu einem Besuch am DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) in Hamburg.
Nach einem kurzen Vortrag zur Geschichte des DESY, sowie einer allgemeinen Einführung in das Thema Synchrotron, ging es auf einen gut zweistündigen Rundgang über das DESY-Gelände.

Erster Halt war das Gebäude der Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle Petra III. Hier werden unter Anderem sehr kleine Proben untersucht, sowie Experimente mit stark gebündeltem, besonders kurzwelligen Röntgenlicht durchgeführt.

 

Später war es dann möglich die eigentliche Technik hinter einem Speicherring anzusehen und sich ein Bild von den Dimensionen dieser Anlagen zu machen. Ein Teil des Tunnels der 2007 stillgelegten Anlage HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage) wurde erwandert. Dieser ist mit einem Umfang von 6336 m der größte Ringbeschleuniger den das DESY bisher errichtet hat. Die Funktion und Aufgaben der einzelnen Komponenten des Beschleunigers wurde anschaulich erläutert. Diverse weitere Exponate wie z. B. Vertexdetektoren zur Teilchenanalyse, Funkenkammern als Teilchendetektoren und die Driftkammer des Experimentes ARGUS (ursprünglich  A Russian-German-United States-Swedish Collaboration) einem Experiment zur Erforschung der schweren Quarks, speziell des Charm- und Bottomquarks konnten sozusagen im Vorübergehen angeschaut werden. Wir danken dem DESY für die Einladung und die kurzweilige Führung.

Für die "Europäische Nacht der Wissenschaft" öffnete natürlich auch der SFB 1261 seine Labortüren und zahlreiche SFB-Mitglieder zeigten die Labore und luden die Kieler Bürger auch zu "Mitmachexperimenten" ein. So wurde z.B. der Reinraum samt der einzelnen Stationen, in welchen die magnetoelektrischen Sensoren hergestellt werden, gezeigt und in der magnetisch geschirmten Kammer wurden exemplarisch Herz- und Hirnmessungen an unseren Phantomen gezeigt.

Nacht der Wissenschaft

 

 

Contact

sfb1261@tf.uni-kiel.de

Chairman:

Prof. Dr. Eckhard Quandt

Kiel University
Institute for Materials Science

 

Interner Server

 

CAU

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Christ.-Albrechts-Platz 4
D-24118 Kiel

UKSH

University Hospital Schleswig-Holstein, Campus Kiel (UKSH)

Arnold-Heller-Straße 3
D-24105 Kiel

ISIT

Fraunhofer Institute for Silicon Technology, Itzehoe (ISIT)

Fraunhoferstrasse 1
D-25524 Itzehoe  

IPN

IPN - Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik an der Universität Kiel

Olshausenstraße 62 
D-24118 Kiel