Neuartige Phasenwechselmaterialien könnten tausend Mal schneller und dabei erheblich langlebiger sein als bisherige Flash-Speicherchips. Mithilfe der Forschungs-Neutronenquelle der Technischen Universität München (TUM) haben deutsche und US-amerikanische Forscher wichtige Erkenntnisse über das vielversprechende Material gewonnen.
Phasenwechselspeicher sichern Daten, indem sie den Aggregatszustand der einzelnen Bits zwischen flüssig-glasartig und kristallin ändern. Ein elektromagnetisches Feld, Wärme- oder Lichtimpulse schalten zwischen den Phasen hin und her. Die Technologie hat das Potenzial, kostengünstige, schnelle und hochdichte Speicher bereitzustellen. Konzerne wie Intel, IBM und Samsung versuchen deshalb das Prinzip von Phasenwechselspeichern seit langem in technisch nutzbare Produkte umzusetzen. Es ist immer noch unklar, wie das Material die Aggregatsänderungen in so kurzer Zeit bewerkstelligt und dies auch mit der nötigen Präzision ausgeführt werden kann.
Dr. Zachary Evenson am TOFTOF Flugzeitspektrometer im FRM II. Bild: S. Mast / TUM
Tausend Mal schneller und noch stabiler
Nun beschreibt ein Team von Wissenschaftlern der Arizona State University, der RWTH Aachen, der Universität des Saarlandes und der TU München, wie eine Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur tausend Mal schneller arbeiten könnte als aktuelle Flash-Speicher. Gleichzeitig soll es sich viel häufiger auslesen lassen. Sie fanden, dass sich bei dieser speziellen Mischung die Phasenänderungen schärfer abgegrenzt und reproduzierbarer steuern lassen als bei anderen bisher untersuchten Materialien. In ihrer Arbeit untersuchten die Wissenschaftler um Dr. Shuai Wei (RWTH) und Dr. Zach Evenson (TUM) die Legierung in ihrem glasartig-flüssigen Zustand mit Hilfe der Neutronenstreuung am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching. „Die hohe Auflösung und der hohe Fluss des Flugzeitspektrometers TOFTOF an der Neutronenquelle FRM II war notwendig, um die Bewegung der Teilchen sehen zu können“, erklärt Dr. Zachary Evenson, der zu dieser Zeit Instrumentwissenschaftler an der TUM war.
Im Widerspruch zu Einstein
Die Forscher sind überzeugt, dass beim Mischen von Germanium, Antimon und Tellur in einem speziellen Verhältnis sowohl die Dichtemaxima als auch die damit verbundenen Metall-zu-Nichtmetall-Übergänge unter den Schmelzpunkt gedrückt werden und damit der Übergang viel schärfer wird als in anderen derartigen Verbindungen. Sie zeigen damit sogar, dass eine Gleichung, die Albert Einstein in seiner Doktorarbeit aufgestellt hatte, für ihr Material nicht gilt: Sie beschreibt die Bewegung von Teilchen wie eine Kugel, die in einem Honigglas versinkt. Diese Gleichung wird aber bislang auch für die Phasenwechselspeicher angenommen. "Unsere Ergebnisse beweisen, dass diese Gleichung bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes nicht mehr gilt“, sagen die Physiker in ihrer Studie.
Null und Eins
Oberhalb des Phasenübergangs hat die Flüssigkeit eine hohe Viskosität, die Kristallisation ist sehr schnell. Unterhalb hingegen erstarrt die Flüssigkeit schnell und behält den schlecht leitenden, amorphen Zustand bei. In „nanoskopischen Bits“ bleibt dieser Zustand praktisch unbegrenzt erhalten. Erst ein gezielter, kurzer Wärmeimpuls lässt die Temperatur lokal schnell ansteigen, so dass das Bit innerhalb von Nanosekunden in den leitenden Zustand übergeht. Dieser entspricht einem Bit in der Stellung „1“. Ein längerer Puls, beispielsweise eines Infrarotlasers, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, führt wieder in den schlecht leitenden Zustand, der Position „0“.
Original Veröffentlichung:
Breakdown of the Stokes-Einstein relation above the melting temperature in a liquid phase-change material. Shuai Wei, Zach Evenson, Moritz Stolpe, Pierre Lucas and C. Austen Angell. Science Advances Vol. 4, 11, DOI: 10.1126/sciadv.aat8632. Link: http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaat8632
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