Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Jülicher Supercomputer identifiziert Schlüsselfaktoren für bessere Speichermaterialien

08.07.2009
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.

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. Die Zeitschrift "Physical Review B - Rapid Communications" berichtet darüber in ihrer aktuellen Online-Ausgabe (DOI: 10.1103/PhysRevB.80.020201).

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", freut sich 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); DOI: 10.1103/PhysRevB.80.020201

Structure of liquid phase change material AgInSbTe from density functional/molecular dynamics simulations

Appl. Phys. Lett. 94, 251905 (2009); DOI:10.1063/1.3157166

Structure of amorphous Ge8Sb2Te11: GeTe-Sb2Te3 alloys and optical storage
Phys. Rev. B 79, 134118 (2009); DOI: 10.1103/PhysRevB.79.134118
Structural phase transitions on the nanoscale: The crucial pattern in the phase change materials Ge2Sb2Te5 and GeTe

Phys. Rev. B 76, 235201 (2007); DOI: 10.1103/PhysRevB.76.235201

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin,
Forschungszentrum Jülich, Institut für Festkörperforschung
52425 Jülich, Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Peter Schäfer | idw
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de
http://www.fz-juelich.de/iff/index.php

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Layouterfassung im Flug: Drohne unterstützt bei der Fabrikplanung
19.05.2017 | IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH

nachricht Intelligente Industrialisierung von Rechenzentren
15.05.2017 | Rittal GmbH & Co. KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften