Filme und Musik auf einer DVD zu speichern, gehört zu unserem digitalen Alltag. Aber ob man es glaubt oder nicht: Die physikalischen Grundlagen der Datenspeicherung auf den runden Scheiben sind noch nicht restlos aufgeklärt. Im renommierten Fachmagazin »Nature Materials« werfen Forscher aus Jülich, Finnland und Japan nun einen Blick auf den Phasenwechsel während des Schreibprozesses einer DVD. Die Erkenntnisse könnten helfen, leistungsfähigere Speichermaterialien zu entwickeln. (DOI: 10.1038/NMAT2931)

Modell der Kristallisierung der AIST-Legierung in einer DVD: Oben links: Ein Laserstrahl (Pfeil hv) stößt die Bewegung des zentralen Antimon-Atoms (links) an, das daraufhin seine Bindung zu zwei Nachbarn austauscht. Oben rechts: Die grüne Vektorsumme der drei kurzen roten Bindungen ändert sich. Unten: Eine Reihe solcher Prozesse führt von der amorphen (links) zur kristallinen Form (rechts). (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Der Übergang zwischen den beiden Phasen dauert nur einige Nanosekunden und lässt sich durch einen Laserstrahl auslösen. Die gängigen Legierungen für Speichermedien wie DVD-RAM oder Blu-ray-Disc enthalten Germanium (Ge), Antimon (Sb) und Tellur (Te). Sie werden nach den Anfangsbuchstaben der Elementsymbole GST genannt. Für das Speichermedium DVD-RW wird in der Regel die Legierung AIST verwendet, die in kleinen Mengen Silber (Ag) und Indium (In) sowie ebenfalls Antimon (Sb) und Tellur (Te) enthält.

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Synchroton kombiniert mit Supercomputer-Simulation

»Obwohl beide Legierungsfamilien Antimon und Tellur enthalten und scheinbar ähnlich sind, hat der Übergang zwischen den Phasen wesentliche Unterschiede«, erklärt Dr. Robert Jones vom Forschungszentrum Jülich, der in einem internationalen Team an dem Problem arbeitet. Neben den experimentellen Daten und Röntgenspektren vom japanischen Synchrotron »SPring-8« nutzten die Forscher intensiv Simulationen am Jülicher Supercomputer »Jugene«. Mit der Kombination der beiden Methoden ist es nun erstmals gelungen, die Strukturen der beiden Phasen AIST-Legierung zu bestimmen und ein Modell für den schnellen Phasenübergang zu entwickeln.

In AIST-Legierungen verläuft der Phasenübergang von außen nach innen. Das Bit wächst vom Rand, wo es an die kristalline Umgebung grenzt, nach innen zu. In der Zeitschrift Nature Materials erklären die Forscher dies nun über ihr »Bindungsaustauschmodell«. Dabei ist die lokale Umordnung des amorphen Bits durch eine kleine Bewegung des Antimon-Atoms ausschlaggebend.

Es bilden sich spontan Kristalle, bis das Bit ausgefüllt ist

In einer Folge von vielen kleinen Schritten richtet sich Atom für Atom und damit das Gitter nun neu aus und kristallisiert, ohne dass Hohlräume und große Bewegungen notwendig sind. Letztlich haben die Antimon-Atome, angeregt durch den Laserstrahl, im Wesentlichen nur die Stärke der Bindung zu zwei benachbarten Atomen ausgetauscht, daher der Name Bindungsaustauschmodell.

Bereits in früheren Arbeiten (DOI: 10.1103/PhysRevB.80.020201) hat das Forscherteam die Vorgänge in GST nachvollzogen. Beim Phasenübergang in GST-Legierungen kristallisiert das amorphe Bit durch Keimbildung, das heißt, dass sich im Innern spontan Kristalle bilden, die schnell wachsen, bis das Bit ausgefüllt ist.

Es bilden sich spontan Kristalle, bis das Bit ausgefüllt ist

Der schnelle Übergang lässt sich dadurch erklären, dass amorphe und kristalline Phasen aus den gleichen Strukturen bestehen, nämlich den so genannten «ABAB«-Ringen. Diese viereckigen Ringe aus zwei Germanium- oder Antimon- und zwei Tellur-Atomen können sich in den vorhandenen Hohlräumen bewegen und umordnen, ohne dass viele atomare Bindungen brechen.

Die Berechnung des amorphen AIST ist die größte, die je in dem Forschungsbereich gemacht wurde. Rund 640 Atome wurden über den vergleichsweise langen Zeitraum von mehreren Hundert Pikosekunden simuliert, um die notwendige Genauigkeit zu erreichen. Etwa 4.000 Prozessoren des Jülicher Supercomputers Jugene waren über vier Monate ausgelastet, um die richtigen Modellbedingungen zu bestimmen.

Bessere phasenwechselnde Materialien entwickeln

Neben der reinen Rechenleistung sind aber vor allem fundierte Kenntnisse sowohl im wissenschaftlichen Rechnen als auch in der Modellierung von Festkörpern notwendig. »Das Forschungszentrum Jülich ist wohl einer der wenigen Orte, wo diese drei Aspekte zusammentreffen«, freut sich Jones.

Das tiefere, theoretische Verständnis der Vorgänge beim Beschreiben einer DVD kann helfen, bessere phasenwechselnde Materialien gezielt zu entwickeln, die Speichermedien mit größerer Kapazität, längerer Datenhaltbarkeit oder geringerer Zugriffszeit ermöglichen.