Jülicher Supercomputer identifiziert Schlüsselfaktoren für bessere Speichermaterialien
Struktur von Phasenwechsel-Speichermaterial entschlüsselt
Einem internationalen Forscherteam aus Wissenschaft und Industrie unter maßgeblicher Jülicher Beteiligung 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 z.B. DVDs, verwendet wird. Mit den neuen Erkenntnissen soll sich die Suche nach leistungsfähigeren Materialien für neue Speichermedien vereinfachen. Das Forschungsergebnis wurde möglich durch Simulationen auf dem Supercomputer "JUGENE" in Jülich und experimentelle Untersuchungen am Synchrotron "SPring-8" in Japan.
Physikern des Forschungszentrums Jülich, Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, ist es gelungen, bislang ungelöste Strukturfragen so genannter phasenwechselnder Materialen am Beispiel der Legierung Ge2Sb2Te5 (GST) aufzuklären. 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, sogenannten 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.
"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 Dr. 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 simulierten 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 mittels experimenteller Daten der japanischen Kooperationspartner vom Synchrotron SPring-8 Stück für Stück an, bis das Ergebnis schlüssig war.
Was ihre Untersuchungen von anderen abhebt, ist die große Dimension: 460 Atome wurden über den vergleichweise 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", sagt Jones. "Dadurch waren wir in der Lage, die strukturellen Voraussetzungen zu identifizieren, die die Schlüsselfaktoren für den schnellen Phasenübergang in GST bilden."
Bei den Schlüsselfaktoren handelt es sich 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 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.
Originalveröffentlichungen: "Experimentally constrained density-functional calculations of the amorphous structure of the prototypical phase-change material Ge2Sb2Te5"; Phys. Rev. B 80, 020201(R) (2009)
"Structure of liquid phase change material AgInSbTe from density functional/molecular dynamics simulations"; Appl. Phys. Lett. 94, 251905 (2009)
"Structure of amorphous Ge8Sb2Te11: GeTe-Sb2Te3 alloys and optical storage"; Phys. Rev. B 79, 134118 (2009)
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