Wissenschaftler beleuchten strukturelle Geheimnisse von Datenspeichern
Forscher haben aufgedeckt, wie genau DVDs und ähnliche Geräte Daten speichern. Die in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichten Ergebnisse werden der Entwicklung von leicht zugänglichen Speichermedien mit größerer Kapazität und einer längeren Lebensdauer einen Schub geben. Wiederbeschreibbare Speichergeräte mit hoher Dichte wie die DVD-RAM (Digital Versatile Disc - Random Access Memory), die DVD-RW (Digital Versatile Disc - Re-recordable), die Blu-ray Disc oder der RAM-Speicher (Random Access Memory) von Personalcomputern werden schon seit einigen Jahren eingesetzt und basieren alle auf der Aufzeichnung des Phasenwechsels. In DVDs werden die Daten in Form von Bits, von denen jedes kaum 100 Nanometer (nm) groß ist, in einer dünnen Schicht einer Legierung aus mehreren chemischen Elementen gespeichert. Die Legierung kann hier eine ungeordnete, amorphe oder eine geordnete, kristalline Struktur (oder Phase) annehmen. Ausgelöst von einem Laserpuls kann ein Bit in nur einem Bruchteil einer Sekunde von einer Phase zur anderen wechseln. Auch für das Lesen von Daten auf einer Disc werden Laser verwendet, da die beiden Zustände unterschiedliche Reflexionsgrade aufweisen. Sie Speicherschicht von DVDs und Blu-ray Discs besteht aus GST-Legierungen, benannt nach den Anfangsbuchstaben der Elementsymbole für Germanium (Ge), Antimon (Sb) und Tellur (Te). DVD-RW nutzen dagegen AIST-Legierungen, die kleine Mengen an Silber (Ag) und Indium (In) sowie ebenfalls Antimon (Sb) und Tellur (Te) enthalten. Trotz der weiten Verbreitung von Speichermedien mit GST- und AIST-Legierungen, weiß man nur wenig darüber, was in diesen Systemen auf atomarer Ebene abläuft, wenn die Bits von einer Phase zur anderen wechseln. In dieser Studie untersuchten Wissenschaftler in Finnland, Deutschland und Japan die Funktionsweise des AIST-Datenspeichersystems. Dafür zogen sie experimentelle Daten und Röntgenspektren vom japanischen Synchrotron SPring-8, der weltweit stärksten Röntgenquelle, heran. Diese Informationen wurden von intensiven Simulationen am Supercomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich in Deutschland ergänzt. Die Analysen ergaben, dass der Phasenübergang in AIST-Legierungen von außen nach innen verläuft. Das Bit wächst vom Rand, wo es an die kristalline Umgebung grenzt, nach innen zu. Die Forscher erklären dies nun über ihr "Bindungsaustauschmodell": Wird das Bit mit einem Laser angeregt, tauschen die darin enthaltenen Antimonatome die Stärke der Bindung zu zwei benachbarten Atomen aus. Der Phasenübergang in AIST-Legierungen unterscheidet sich daher erheblich von dem bei GST-Legierungen, mit denen sich die Forscher in früheren Untersuchungen befasst haben. In GST-Legierungen kristallisiert das amorphe Bit durch Keimbildung, das heißt, dass sich im Inneren Kristalle bilden, die so lange wachsen, bis das Bit ausgefüllt ist. In GST-Systemen werden beide Phasen von Gruppen von vier Atomen gebildet, den sogenannten "ABAB"-Ringen, wobei "A" für entweder Germanium oder Antimon und "B" für Tellur steht. In dieser Struktur haben die Atome genügend freien Platz, um sich umzuordnen, ohne dass viele atomare Bindungen brechen. "Obwohl beide Legierungsfamilien Antimon und Tellur enthalten und scheinbar ähnlich sind, weist der Übergang zwischen den Phasen wesentliche Unterschiede auf", erklärte Dr. Robert Jones vom Forschungszentrum Jülich. Dem Team zufolge ist die Berechnung der amorphen Phase in AIST die größte, die je in dem Forschungsbereich gemacht wurde. Dafür setzten die Forscher 4 Monate lang rund 4.000 Prozessoren des Supercomputers JUGENE ein.Weitere Informationen unter: Forschungszentrum Jülich: http://www.fz-juelich.de/(öffnet in neuem Fenster) Nature Materials: http://www.nature.com/naturematerials(öffnet in neuem Fenster)
Länder
Deutschland, Finnland, Japan