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 Schnelle Time-to-Market durch standardisierte Datacenter-Container
28.03.2017 | Rittal GmbH & Co. KG

nachricht Modellfabrik Industrie 4.0: Forschungs- und Trainingsplattform für Wissenschaft und Wirtschaft
28.03.2017 | Hochschule Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit