Forscher untersuchen Speichervorgang bei DVD-RWs

Das Speichern von Daten auf DVDs gehört mittlerweile zwar zum täglichen Leben, die physikalischen Grundlagen der Datenspeicherung sind aber noch nicht restlos aufgeklärt. Forscher aus Jülich, Finnland und Japan haben nun einen Blick auf den Phasenwechsel während des Schreibprozesses einer DVD-RW geworfen und ihre Erkenntnisse im Fachmagazin Nature Materials veröffentlicht.

Die informationstragende Schicht einer DVD besteht aus einer polykristallinen Legierung aus mehreren chemischen Elementen, die eine ungeordnete, amorphe oder eine geordnete, kristalline Struktur annehmen kann, um Daten zu speichern. 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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Modell der Kristallisierung der Legierung AIST in einer DVD<br>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). [Quelle: Forschungszentrum Jülich]

"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. Die Forscher kombinierten für ihre Arbeit experimentelle Daten und Röntgenspektren vom japanischen Synchrotron SPring-8 sowie Simulationen am Jülicher Supercomputer Jugene. So war es ihnen möglich, die Strukturen der beiden Phasen von AIST zu bestimmen und ein Modell für den schnellen Phasenübergang zu entwickeln.

Demnach verläuft der Phasenübergang in AIST-Legierungen von außen nach innen. Die Forscher beschreiben den Vorgang als "Bindungsaustauschmodell". Dabei ist die lokale Umordnung des amorphen Bits durch eine kleine Bewegung des Antimon-Atoms ausschlaggebend. In einer Folge von vielen kleinen Schritten richtet sich Atom für Atom und damit das Gitter 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.

Bei GST-Legierungen verläuft der Prozess andersherum, wie die Forscher bereits früher zeigten: 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. Der schnelle Übergang lässt sich dadurch erklären, dass amorphe und kristalline Phasen aus den gleichen Strukturen bestehen, nämlich den sogenannten 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.

Zur Berechnung des Bindungsaustauschmodells von AIST-Legierungen wurden 640 Atome über den vergleichsweise langen Zeitraum von mehreren Hundert Pikosekunden simuliert, um die notwendige Genauigkeit zu erreichen. Rund 4.000 Prozessoren des Supercomputers Jugene waren über vier Monate ausgelastet, um die richtigen Modellbedingungen zu bestimmen.