Phasenwechselspeicher
Unter dem Begriff Phasenwechselspeicher versteht man optische und elektrische Datenträger, bei denen Informationen durch lokales Schalten eines Materials zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase nicht-flüchtig gespeichert werden. Je nachdem, in welchem Zustand sich das Material befindet, reflektiert bzw. leitet es unterschiedlich gut. Das Schalten findet durch kontrolliertes Erhitzen des zu schaltenden Bereich statt, bei optischen Medien mittels eines Laserpulses und bei elektrischen Speicherzellen durch einen Strompuls. Schematisch wird dies in der untenstehenden Abbildung verdeutlicht.
- Das Prinzip von Phasenwechselspeichern beruht auf dem Kontrast in den physikalischen Eigenschaften zwischen der amorphen und der kristallinen Phase des verwendeten Materials. Zur Umwandlung werden etwa bei optischen Medien Laserpulse unterschiedlicher Intensität und Dauer verwendet. Die Umwandlung von der kristallinen in eine amorphe Phase erfolgt durch schnelles Aufschmelzen des aktiven Bereichs, welcher aufgrund des Temperaturgradienten zum umliegenden, nicht erwärmten Bereich schnell abkühlt und in einer amorphen Phase erstarrt. Die Umwandlung zurück zur kristallinen Phase geschieht wiederum durch längeres erwärmen.
Das Prinzip von Phasenwechselspeichern wird industriell bereits bei allen gängigen wiederbeschreibbaren optischen Medien angewendet (CD-RW, DVD+-RW, DVD-RAM, BD-RE). Schon in naher Zukunft werden zudem elektrische Speicher, sog. Phase Change RAM (PCRAM oder PRAM), in Konkurrenz zu Flash treten, welche das Potential zu geringeren Herstellungskosten, höherer Datendichte und wesentlich höherer Geschwindigkeit mitbringen. Aus diesem Grund entwickeln alle namhaften Firmen der Halbleiterbranche intensiv entsprechende Prototypen.
- DVD-RAM
Die Materialien, die in Phasenwechselspeichern eingesetzt werden, zeichnen sich durch die Verknüpfung verschiedener physikalischer Eigenschaften aus. So sollte die amorphe Phase hinreichend stabil gegen Kristallisation sein, um Datenverlust etwa durch Sonneneinstrahlung vorzubeugen und so die Verlässlichkeit von Phasenwechselspeichern sicherzustellen. Weiterhin sollte der optische bzw. elektrische Kontrast zwischen der amorphen und kristallinen Phase ausreichend groß sein, um das Auslesen der gespeicherten Daten zu vereinfachen. Der Phasenwechsel sollte sehr schnell erfolgen können, um hohe Schreibgeschwindigkeiten zu erzielen. Um mobile Anwendungen zu ermöglichen, muß die Datenspeicherung sowie das Auslesen sehr energieeffizient erfolgen können. Und nicht zuletzt müssen die Materialien natürlich auch unter ökonomischen wie ökologischen Gesichtspunkten bestehen können.
Die gegenwärtig eingesetzten Materialien wurden durch aufwendige Testreihen gefunden, der physikalische Hintergrund ihrer Eigenschaften ist aber in Teilen noch unverstanden und derzeit ein aktives Feld der Forschung. Die Physik amorpher Materialien ist wegen der fehlenden Periodizität eine wissenschaftliche Herausforderung, bei der neuen, spannenden Effekten auf den Grund gegangen wird. Dazu zählt etwa das 'threshold switching', ein bisher unverstandener Mechanismus, bei dem amorphe Materialien bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke eine drastische Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit zeigen.
Die Phasenwechselspeicher-Gruppe des I.Physikalischen Instituts (IA) zeichnet sich auf diesem Forschungsfeld durch die Kombination einer breiter Palette experimenteller Methoden mit theoretischen Modellen aus. Durch vielfältige Industriekooperationen und öffentlich geförderte Projekte stehen uns dabei sehr viele Ressourcen zur Verfügung. Für weitergehende Informationen über unsere Arbeit können Sie die Publikationsliste der Phasenwechselspeicher-Gruppe konsultieren oder uns auch gerne direkt ansprechen. Falls Sie Interesse an einer Mitarbeit in dieser Gruppe haben, etwa im Rahmen einer Studien-, Diplom-, Bachelor-, Master- oder Doktorarbeit, finden sich weitergehende Informationen bei unseren Stellenangeboten.