CD-Labor für Zukünftige magnetische Sensoren und Materialien

Sensoren auf Basis magnetischer Widerstandsänderungen sind in Festplatten derzeit Stand der Technik. Hier wird an detaillierten Computersimulationen gearbeitet, um diese Technik auch auf Anwendungen im Automobilsektor und im biologisch/medizinischen Bereich ausdehnen zu können.

Forschungsgegenstand dieses Labors sind GMR und TMR-Sensoren (giant magnetoresistance, GMR und tunnel magnetoresistance, TMR).

GRM-Sensoren beruhen auf dem Phänomen des Riesen-magnetowiderstandes, für dessen Entdeckung 2007 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde. Sie machen sich die Tatsache zunutze, dass die elektrische Leitfähigkeit von Materialien auch von deren magnetischen Orientierung abhängt. In speziellen Schichtsystemen aus unter-schiedlichen Materialien können Elektronen nur dann gut durch die Schichten hindurchwandern, wenn die Magnetisierungsrichtungen genau richtig zueinander orientiert sind. Ist das nicht der Fall, versperren die Schichten den Weg, ein Riesenmagneto-widerstand (giant magnetoresistance GMR) tritt auf.

Auch TMR-Sensoren beruhen auf einem Schichtsystem, bei dem zwischen zwei magnetischen Schichten eine nicht-magnetische liegt. Sie nutzen das quanten-mechanische Phänomen des magnetischen Tunnelwiderstandes.

GMR- und TMR-Sensoren haben eine hohe Empfindlichkeit und eine 360° Winkelauflösung. Ihre Anwendung funktioniert sehr gut, dennoch fehlt zu den tatsächlichen Vorgängen in den feinen Schichten noch Grundlagen-wissen

Die Forschungsarbeit dieses CD-Labors baut auf einer speziellen Software auf die am Institut für Festkörperphysik an der TU Wien entwickelt wurde, um die magnetischen Eigenschaften von Materialien zu beschreiben. Sie wird von führenden Festplattenherstellern für die Optimierung und das Design von GMR-Leseköpfen in Festplatten verwendet.

Nun soll diese Software für die Anwendung in der Automobilindustrie und für biologische/medizinische Sensoren erweitert werden. Konkret geht es zum Beispiel um Messungen bei Drehzahlsystemen wie dem ABS-System oder um Bestimmungen von Krankheits-erregern oder Krebsdiagnostik. Dies ist nicht so einfach, wie man vermuten könnte, denn es geht hier um wesentlich „größere“ Dimensionen der zu untersuchenden Strukturen: Während die Festplattentechnologie im Nanometer-Bereich arbeitet, wird im Automobilsektor im Mikrometerbereich gearbeitet. Für Simulationen ist die Zahl der Unbekannten damit mindestens um einen Faktor 1000 höher. Für die Lösung dieser Aufgabe braucht es innovative und neue Modellierungskonzepte.

Dazu wird an neuen mathematischen Lösungen und Algorithmen geforscht, zum Beispiel an hochparallelen Simulationsmethoden und an der Nutzung von Grafik-prozessors, um so höhere Leistungsfähigkeit zu erreichen (GPU-Computing).

Die neue entwickelte Software soll folgende Dinge können:

- Entwicklung eines detaillierten Verständnisses aktueller GMR- und TMR-Sensoren

- Entwicklung neuer funktionaler Strukturen

- Entwicklung vereinfachter Simulationen, mit denen Unternehmen die Wechselwirkungen elektronischer Bauteile (Widerstände, Transistoren etc.) mit den GMR- und TMR-Sensoren testen können.

Auf Basis der detaillierten Computersimulationen soll es möglich werden, Vorhersagen zum Verhalten der Sensoren zu treffen und neue Designs vorzuschlagen – und so letztendlich dazu beizutragen, dass die Entwicklungszeiten und –kosten für neue Sensoren reduziert werden können.