Forschern aus Wissenschaft und Industrie ist ein Durchbruch in der Materialforschung gelungen: Erstmals konnte das deutsch-japanische Team die lange umstrittene Struktur eines Materials überzeugend klären, das in optischen Datenspeichern wie beispielsweise DVDs verwendet wird.
Mit den neuen Erkenntnissen soll sich die Suche nach leistungsfähigeren Materialien für neue Speichermedien vereinfachen, so die Wissenschaftler in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review B – Rapid Communications“. Möglich wurden die neuen Ergebnisse durch Simulationen auf dem Supercomputer „JUGENE“ in Jülich und experimentelle Untersuchungen am Synchrotron „SPring-8“ in Japan.
Forscher klären ungelöste Strukturfragen auf
Die Physiker des Forschungszentrums Jülich haben in ihrer neuen Studie bislang ungelöste Strukturfragen so genannter phasenwechselnder Materialen am Beispiel der Legierung Ge2Sb2Te5 (GST) aufgeklärt. GST bildet das „Gedächtnis“ mehrfach beschreibbarer optischer Speichermedien, wie DVD-RAM. Ähnliche Materialien werden etwa in Blu-ray-Discs eingesetzt.
GST lässt sich zwischen zwei verschiedenen Zuständen, so genannten Phasen, umschalten, einem regelmäßig geordneten „kristallinen“ und einem eher ungeordneten „amorphen“. Dadurch lassen sich Informationen einschreiben und speichern. Durch unterschiedliche Reflektionseigenschaften der beiden Zustände können die gespeicherten Informationen wieder ausgelesen werden. Das Umschalten geschieht wie auch das Auslesen mit einem Laser.
Wie funktioniert das Schalten auf atomarer Ebene?
„Obwohl seit den 1990er-Jahren optische Speichermedien auf Basis von GST auf dem Markt sind, herrschte bis jetzt Unklarheit, wie das Schalten auf atomarer Ebene abläuft“, erläutert Robert Jones, theoretischer Physiker am Forschungszentrum Jülich. „Die Umordnung der Atome verläuft in sehr kurzer Zeit, innerhalb von einigen Nanosekunden. Das hat die Frage aufgeworfen, wie die Struktur beschaffen sein muss, damit das möglich ist. Nur wenn man das weiß, kann man auch sehr gezielt nach besseren Materialien suchen.“
Nun sind aber Strukturen, die anders als Kristalle keine Regelmäßigkeit aufweisen, nur schwer aufzuklären. Zahlreiche Theorien wurden in den letzten Jahren aufgestellt – teilweise widersprechen sich diese aber.
Die Jülicher Physiker lösten die Frage nun mit einem schrittweisen Prozess. Sie simuliertenm zunächst mittels des Supercomputers JUGENE, was passiert, wenn geschmolzenes GST-Material zu einer amorphen Masse abkühlt, wie es beim Einschreiben von Informationen passiert. Ausgehend von einer ersten Berechnung passten sie ihr Modell anschließend mittels experimenteller Daten der japanischen Kooperationspartner vom Synchrotron SPring-8 Stück für Stück an, bis das Ergebnis schlüssig war.
Sehr viel Rechenleistung nötig
Was ihre Untersuchungen von anderen abhebt, ist die große Dimension: 460 Atome wurden über den vergleichsweise langen Zeitraum von 300 Pikosekunden untersucht. Annähernd so lang dauert es im Experiment, bis die Atome sich neu geordnet haben. Rund 4.000 der Prozessoren des Jülicher Rechners waren damit etwa vier Monate ausgelastet.
„Nur an wenigen Orten auf der Welt ist es möglich, soviel Rechenleistung zu bekommen“, erklärt Jones. „Dadurch waren wir in der Lage, die strukturellen Voraussetzungen zu identifizieren, die die Schlüsselfaktoren für den schnellen Phasenübergang in GST bilden.“
Viereckige Bausteine aus Atomen
Bei den Schlüsselfaktoren handelt es sich nach Angaben der Forscher um viereckige Bausteine aus Atomen, die sowohl im amorphen als auch im kristallinen Material vorkommen. Jeder Baustein besteht aus vier ringförmig angeordneten Atomen, von denen jedes zweite ein Tellur-Atom ist. Die beiden übrigen Atome sind entweder Antimon- oder Germanium-Atome. Als weiterer Faktor sind Hohlräume unerlässlich, die den Bausteinen ermöglichen, sich umzuordnen, ohne viele atomare Bindungen zu brechen. Mittels eines Lasers werden dann die richtigen Bedingungen für den raschen Phasenwechsel geschaffen.
Die Ergebnisse sind nach Ansicht der Physiker ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis phasenwechselnder Speichermaterialien und zur Entwicklung von Designregeln für neue Datenspeicher. Ziel ist es hierbei, wichtige Materialeigenschaften in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung vorherzusagen und Materialien gezielt zu entwerfen.
(idw – Forschungszentrum Jülich, 10.07.2009 – DLO)
