Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stabilität und Mobilität: Zwei Flüssigkeiten sind der Schlüssel

17.06.2019

Phasenwechsel-Random-Access-Memory (PC-RAM) ist eine der neuesten Speichertechnologien, die zur Erreichung höherer, nicht-flüchtiger Speicherdichten, geringeren Energieverbrauchs und verbesserter Skalierungsmöglichkeiten etabliert wurden. In PC-RAMs werden Daten durch Wechsel zwischen glasförmigen und kristallinen Materialzuständen bei Anwendung eines Hitzeimpulses geschrieben. Die zu Grunde liegenden Prozesse auf atomarer Ebene sind bislang aber ungeklärt. Eine mögliche Lösung bietet eine Studie einer Forschergruppe: Mit Röntgenstreuungsmethoden und Simulationsmethodik wurde ein Übergang zwischen flüssigen Phasen hoher und niedriger Temperatur in Phasenwechselmaterialien entdeckt.

Aus den Elementen Antimon, Tellur und Germanium zusammengesetzte Phasenwechselmaterialien (PCMs, engl. „phase-change materials“) können genutzt werden, um zunehmend größere Mengen an Daten schnell und energieeffizient zu speichern.


Sie finden Anwendung zum Beispiel als Ersatz für Flash-Speicher, in fortgeschrittenen DRAM-Speichern mit nicht-flüchtiger Back-Up-Funktionalität, in sogenannten Storage-Class-Speichern und in Embedded-Lösungen, etwa im Automobilbereich. Wenn ein elektrischer oder optischer Impuls angelegt wird, um diese Materialien lokal zu erhitzen, wechseln sie von einem glasförmigen in einen kristallinen Zustand oder umgekehrt.

Die beiden Zustände werden elektrisch zwischen logischer „0“ und „1“ unterschieden, entsprechend des hohen Widerstands im amorphen und des geringen Widerstands im kristallinen Zustand. Den diversen Anwendungen und dem enormen Potenzial von PCMs steht jedoch gegenüber, dass es bis heute nicht gelungen ist zu klären, wie die einzigartigen Eigenschaften der PCMs, die schnelle Kristallisation bei moderat hoher Temperatur und die jahrzehntelange Stabilität bei Raumtemperatur des ungeordneten Zustands, auf atomarer Ebene realisiert werden.

Die Experimente und Simulationen, die von der internationalen Forschergruppe hinter dieser Publikation durchgeführt wurden, bieten neue Erkenntnisse auf der mikroskopischen Ebene.

In einem Experiment an der Linac Coherent Light Source (LCLS) in Kalifornien sammelten Wissenschaftler vom European XFEL, der Universität Duisburg-Essen und internationale Projektpartner über 10.000 Beugungsbilder aus Femtosekundenröntgenmessungen, die durchgeführt wurden, während die Materialien ihren Zustand änderten.

Den Wechsel zwischen kristallinem und glasförmigem Zustand ausgelöst durch einen optischen Laser-Impuls, wurde der Röntgenlaser benutzt, um Bilder der atomaren Struktur während dieses extrem schnell ablaufenden Prozesses aufzunehmen.

Die Experimente zeigten, dass, wenn die vom Laser-Hitzeimpuls generierte Hochtemperaturflüssigkeit genügend schnell heruntergekühlt wird, diese in eine strukturell andersartige Niedrigtemperaturflüssigkeit übergeht. Die beiden Flüssigkeiten unterschieden sich ebenso signifikant in ihren kinetischen Eigenschaften.

Am Institut für Theoretische Festkörperphysik der RWTH wurden Ab-initio-Molekulardynamik(AIMD)-Simulationen durchgeführt, um die während des schnellen Herunterkühlens auftretenden strukturellen Veränderungen zu untersuchen.

Das vorrangige Ziel dieser Analyse war es, detaillierte Informationen über die lokalen Strukturmotive zu erhalten und dabei den für den Flüssig-Flüssig-Übergang verantwortlichen Mechanismus zu klären.

In der Verteilung der sechs nächsten Nachbarn der Atome, ausgewertet in einer statistischen Analyse der AIMD-Positionsdaten, fanden die Festkörperphysiker eine deutliche Aufteilung der atomaren Abstände in zwei Gruppen von drei kurzen und drei längeren Distanzen.

Zusätzlich dazu ausgewertete Korrelationen zwischen nahezu geradlinig ausgerichteten Dreiergruppen von Atomen bestätigten, dass die vorgefundene Separation von einer Peierls-artigen Verzerrung stammt. Diese stellte sich als der dominante Mechanismus des Flüssig-Flüssig-Übergangs und direkt verbunden mit der Änderung der kinetischen Eigenschaften heraus.

Des Weiteren zeigten die Berechnungen Veränderungen in den elektronischen Eigenschaften. Die Hochtemperaturflüssigkeit war signifikant metallischer als diejenige niedriger Temperatur. Dieser Befund ist konsistent mit der erhöhten Bindungsstabilität, die spontane Kristallisation aus der amorphen Phase verhindert.

Wie im Experiment beobachtet wurde, zeigte die Flüssigkeit hoher Temperatur hohe Mobilität, die Kristallisation (wohlgeordnete Positionierung der Atome im Kristallgitter) ermöglicht, wohingegen in der Flüssigkeit geringer Temperatur einige Bindungen stärker waren, konsistent zur reduzierten Mobilität. Im resultierenden glasförmigen Zustand bleibt die ungeordnete Struktur deshalb erhalten.

Entsprechend der zugeschriebenen physikalischen Prozesse ist der Kreislauf zur Informationsspeicherung realisiert durch schnelles Herunterkühlen der Hochtemperaturflüssigkeit, um durch die Niedrigtemperaturflüssigkeit ohne Kristallisation in den glasförmigen Zustand zu gelangen, Erhaltung des Glaszustands während der beabsichtigten Speicherdauer und Kristallisation durch die Hochtemperaturflüssigkeit auf thermische Anregung hin.

Allerdings sind die entscheidenden Eigenschaften der PCMs nicht lediglich die hohe Mobilität der Flüssigkeit hoher Temperatur, die schnelle Kristallisation ermöglicht, und die geringe Mobilität der Flüssigkeit niedriger Temperatur und des Glases, um lange Speicherdauern zu garantieren bis zu dem Punkt, wo Kristallisation gänzlich ausbleibt.

Vielmehr ist es die einzigartige Aufspaltung in zwei Flüssigkeiten mit sehr unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit der Kinetik, die die Bereiche stabilen Glases und schneller Kristallisationsfähigkeit voneinander trennt. Diese Beobachtung, dass PCMs ein stabiles Glas bilden können, aber gleichzeitig sehr instabil bei gehobenen Temperaturen werden, war für Jahrzehnte ein Rätsel für die Forschung.

Die Resultate der Studie helfen weiterhin Glasbildung im Allgemeinen besser zu verstehen. Um die physikalischen Prozesse, die während des schnellen Herunterkühlens und der Glasbildung aus einer Hochtemperaturflüssigkeit bei anderen Materialienklassen auftreten, weiter zu erforschen, sind vergleichbare Experimente und Simulationen, am European XFEL und der RWTH Aachen, geplant.

Die veröffentlichte Arbeit war Teil einer internationalen Zusammenarbeit, die Wissenschaftler der RWTH Aachen, des European XFEL, des Forschungszentrum Jülich, des Instituts Laue-Langevin, des Lawrence-Livermore National Laboratory, der Universität Lund, des Paul Scherrer Instituts, des SLAC National Accelerator Laboratory, der Universität Stanford, des Nationalen Spanischen Wissenschaftsrates (CSIC), der Universität Duisburg-Essen und der Universität Potsdam umfasste.

Die dazu beitragenden Wissenschaftler der RWTH Aachen sind Mitglieder des Sonderforschungsbereichs SFB 917 „Nanoswitches“, der, finanziert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), seit 2011 Erkenntnisgewinn auf dem Gebiet mikroskopischer resistiver Schaltprozesse befördert und noch bis 2023 weitergeführt werden wird.

Originalveröffentlichung:
Femtosecond X-ray diffraction reveals a liquid-liquid phase transition in phase-change materials.
Zalden et al., DOI: 10.1126/science.aaw1773

Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Riccardo Mazzarello
Institut für Theoretische Festkörperphysik
Otto-Blumenthalstraße
52074 Aachen
Tel.: +49 241 80 25722
E-Mail: mazzarello@physik.rwth-aachen.de

Thomas von Salzen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.rwth-aachen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik
11.12.2019 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Vom Staubkorn zum Planeten – Rätsel um Kollisionsbarriere gelöst
11.12.2019 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Im Focus: How to induce magnetism in graphene

Graphene, a two-dimensional structure made of carbon, is a material with excellent mechanical, electronic and optical properties. However, it did not seem suitable for magnetic applications. Together with international partners, Empa researchers have now succeeded in synthesizing a unique nanographene predicted in the 1970s, which conclusively demonstrates that carbon in very specific forms has magnetic properties that could permit future spintronic applications. The results have just been published in the renowned journal Nature Nanotechnology.

Depending on the shape and orientation of their edges, graphene nanostructures (also known as nanographenes) can have very different properties – for example,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Analyse internationaler Finanzmärkte

10.12.2019 | Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kein Seemannsgarn: Hochseeschifffahrt soll schadstoffärmer werden

11.12.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Vernetzte Produktion in Echtzeit: Deutsch-schwedisches Testbed geht in die zweite Phase

11.12.2019 | Informationstechnologie

Verbesserte Architekturgläser durch Plasmabehandlung – Reinigung, Vorbehandlung & Haftungssteigerung

11.12.2019 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics