Forschungsverbund Berlin

Datenspeicher mit Langzeit-Gedächtnis soll Festplatte überflüssig machen

11.06.2008 | Redakteur: Hendrik Härter

Die Forscher des PDI messen am Synchrotron-Elektronenspeichering BESSY
Die Forscher des PDI messen am Synchrotron-Elektronenspeichering BESSY

In einem deutsch-japanischen Projekt untersuchen Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) Berlin ein Speichermaterial, das für zukünftige Computertechnologien eingesetzt werden soll. Der Wechsel zwischen amorphen und kristallinen Zustand ist der eigentliche Speichervorgang. Mit einem Laserimpuls kann zwischen beiden gewechselt werden.

Wird der Computer vom Netz getrennt, sind die Daten im Arbeitsspeicher gelöscht. Datenspeicher mit Langzeitgedächtnis sind aber keine Zukunftsmusik mehr. Es gibt sie in Form von sogenannten Flash-Speicher. Diese Speicher behalten ihre Informationen, auch wenn kein Strom fließt. Gespeichert werden die Daten durch eingesperrte Elektronen, der über einen quantenmechanischen Effekt gesteuert wird.

Physikalische Grundlagen noch nicht entschlüsselt

Materialen, die sich für wesentlich schnellere nichtflüchtige Speicher eignen, sind die so genannten Phase Change Materials (PCM). Sie werden bereits als wiederbeschreibbare Medien in CD-Größe (DVDRAM) großtechnisch eingesetzt. Im Rahmen eines deutsch-japanischen Projektes wollen Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) ein solches Material jetzt genauer untersuchen. Es handelt sich dabei um eine Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur (GST-Ge2Sb2Te5). Die Speicher auf GST-Basis werden bereits in Serie hergestellt, ihre physikalischen Grundlagen verstehen die Wissenschaftler allerdings noch nicht.

Atome mit Laserimpulsen in geordnete Strukturen überführen

Das Material GST hat in kristalliner Form die Eigenschaften eines Halbleiters mit einer Bandlücke im infraroten Bereich. Es kann neben kristallin auch amorph vorliegen. In der kristallinen Form sind die Atome regelmäßig in einem Gitter angeordnet. Wenn es amorph vorliegt herrscht sozusagen ein wildes Durcheinander. Zum Datenspeicher wird es, weil es durch Beschuss mit Laserpulsen von der einen in die andere Form wechseln kann. Im Vergleich zu Flash-Speichern schaltet es dabei mindestens tausend Mal schneller.

Industriell werden die Speicherscheiben bisher so hergestellt, dass das GST auf Kunststoffscheiben in CD-Größe „aufgesputtert“ wird. Es liegt dann polykristallin vor. Die PDI-Forscher wollen GST nun erstmalig einkristallin, in so genannten epitaktischen Schichten, herstellen. Das bedeutet, sie wollen mit dem Material ein geordnetes Kristallwachstum auf einer Trägerschicht erzeugen. An diesem hochreinen und wohldefinierten Material werden die Forscher die Eigenschaften der Schichten mit der Röntgenbeugung untersuchen.

Mit Laserimpulsen atomare Strukturen abtasten

Schon während des Wachstums der Schichten wollen die Forscher am PDI-Messplatz am Berliner Synchrotron-Elektronenspeichering BESSY in Adlershof die entstehende Struktur live mit der Röntgenbeugung untersuchen. Das soll Aufschluss darüber geben, wohin die Atome sich beim Übergang in die jeweils andere Phase bewegen. Aber auch den Schaltvorgang selbst nehmen sie ins Visier. Dazu bauen sie in der Anlage einen Laser auf, den sie mit den Strahlen von BESSY synchronisieren. Mit dem Laser lösen die Wissenschaftler dann den Schaltvorgang im GST aus, der Synchrotronpuls misst die Vorgänge im Material. Es handelt sich dabei um ein Pump-Probe-Verfahren (pump = anregen, probe = messen), wobei jeder tausendste Synchrotronpuls mit einem Laserpuls kombiniert wird. Für die Messungen nutzen sie die Eigenschaften des Synchrotrons aus, das extrem gebündelte, gepulste Röntgenstrahlen aussendet. Diese ermöglichen das zeitliche Abtasten des Vorgangs und es lässt sich verfolgen, wie schnell die Atome sich kollektiv umordnen.

Zukünftig soll das Booten entfallen

Mit ihren Untersuchungen wollen die Wissenschaftler zum genaueren Verständnis des Phasenwechselvorgangs auf atomarer Ebene beitragen. Diese Erkenntnisse könnten dann für den Entwurf von Speicherbauelementen genutzt werden, die noch schneller und kleiner wären als die derzeit verfügbaren. Damit sind zum Beispiel Computer vorstellbar, die keine Festplatte mehr benötigen und nach dem Einschalten sofort betriebsbereit sind. Das PDI erhält für das Projekt zunächst 350.000 € für drei Jahre. Finanziert wird das Projekt mit Mitteln der DFG und der japanischen JST, Partner auf japanischer Seite ist Paul Fons als Projektleiter am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba nahe Tokio.

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