Minituarisierung im Nanobereich

Mit Terahertz-Impulsen zur nächsten Speichergeneration

| Redakteur: Tina Billo

Terahertz-Strahlungen können die physikalische Struktur von Speichermaterialien im Nanobereich verändern.
Terahertz-Strahlungen können die physikalische Struktur von Speichermaterialien im Nanobereich verändern. (Bild: Kyoto University - Hirori Lab)

Einem Wissenschaftler-Team der Universität Kyoto ist es gelungen, Veränderungen der physischen Struktur von Datenspeichermaterial auf Nanoebene zu steuern. Die Ergebnisse ihrer Arbeit könnten zur weiteren Minituarisierung von Speicherbausteinen beitragen und neue Wege in der Rechnertechnologie einschließlich des Umgangs mit Informationen eröffnen.

Wenngleich optische Speichermedien wie Compact Discs (CD-RW) inzwischen aus der Mode gekommen sind, verleiht die ihnen zugrundeliegende Phase-Change-Technik der Entwicklung der nächsten Generation an Nanotechnologien für den Rechnereinsatz weiterhin Impulse.

Lesbare Bitmuster lassen sich bei CDs schreiben, indem das Trägermaterial durch Lichtimpulse von kristallin auf amorph und vice versa verändert wird. Die Auslösung eines Phasenwechsels durch elektrische Impulse anstelle von Licht, könnte die Entwicklung neuer Speichertechnologien ermöglichen. Hiervon versprechen sich die Wissenschaftler Speicherbausteine mit einer höheren Dichte, die zudem robuster sind und schneller arbeiten als heutige Lösungen. Den Prozess der Kristallisierung und der Amorphisierung zu beherrschen, stellte dabei jedoch bisher eine zu meisternde Herausforderung dar.

Elektromagnetische Impulse im Terahertz-Bereich

An der Universität Kyoto verwendete nun ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Hideki Hirori ein Phasenwechselmaterial, dass aus Germanium, Antimon und Tellur (GST) bestand und setzte dieses starken im Terahertz-Bereich liegenden elektromagnetischen Impulsen aus. Dadurch gelang es ihnen, das Kristallwachstum im Nanometermaßstab zu kontrollieren.

"Ein Grund, warum die Kristallisation und Amorphisierung von GST unter einem elektrischen Feld schwer zu kontrollieren ist, sind die mit elektrischen Eingängen verbundenen Wärmediffusionseffekte im Mikrometerbereich, die ebenfalls zur Kristallisation beitragen", erklärt Gruppenleiter Hideki Hirori. "Glücklicherweise sind die Terahertz-Technologien inzwischen so weit gereift, dass wir mit kurzen Impulsen starke elektrische Felder erzeugen und gleichzeitig Erwärmungseffekte unterdrücken können."

Eindimensionales Kristallwachstum

Hirori und seine Mitarbeiter entwickelten einen Terahertz-Pulsgenerator, der ultrakurze und sehr intensive Terahertz-Impulse über ein Paar Goldantennen schickte. Diese erzeugten ein elektrisches Feld in der GST-Probe, vergleichbar mit dem eines elektrisch geschalteten Gerätes. Aufgrund der extrem kurzen Dauer der Impulse - etwa eine Pikosekunde - ließ sich die Wärmediffusion stark verringern. Dies ermöglichte die Rate und Richtung der GST-Kristallisation extrem fein zu steuern. Ein Bereich der Kristallisation wuchs in einer geraden Linie zwischen den Goldantennen in Richtung Feld, bei einigen Nanometern pro Puls.

Basis für neue Datenspeicher

Als das Team die schrittweisen Veränderungen der Kristallisation bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Terahertz-Impulse verfolgte, waren sie überrascht, dass die Kristallleitfähigkeit ab einem bestimmten Punkt schnell anstieg, anstelle sich linear mit der Zunahme der Terahertz-Stärke zu entwickeln. Die Forscher vermuten, dass Elektronen, die zwischen den Zuständen im Kristall springen, dem System eine unerwartete Wärmequelle hinzufügten und die Kristallisation verstärkten.

"Unser Experiment zeigt, wie nanoskaliges und richtungskontrolliertes Wachstum von Kristallen in GST erreicht werden kann. Wir haben auch ein Phänomen identifiziert, das bei der Entwicklung neuer Geräte helfen kann und dank dessen sich das Potenzial des Materials für den Umgang mit digitalen Daten ausschöpfen lässt", erläutert Hideki Hirori.

Originalpublikation:

Die Arbeit mit dem Titel "Zener Tunneling Breakdown in Phase-Change Materials Revealed by Intense Terahertz Pulses" wurde am 19. Oktober 2018 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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