Lauter Fehler und doch richtig gut!
RWTH-Forscher entwickeln neue Speichermaterialien für Digitalkameras oder Mobiltelefone
Wissenschaftler der RWTH Aachen arbeiten an der Entwicklung neuer Datenspeicher. Hier wird an einem Messplatz ein so genannter Wafer - eine etwa 1 Millimeter große Scheibe - mit Phasenwechselmaterialien verbunden und auf sein Schaltverhalten hin untersucht.
Foto: Peter Winandy
Wie die renommierte Zeitschrift "Nature Materials 2007" berichtete, ist es Wissenschaftlern der RWTH Aachen in fachübergreifender Zusammenarbeit gelungen, neue Phasenwechselmaterialien herzustellen. Diese Stoffe sind für technologische Anwendungen gleichermaßen hochinteressant wie für die Grundlagenforschung.
Wird ein solches Material lokal einem Laserimpuls ausgesetzt, ändert sich an der bestrahlten Stelle innerhalb einiger Nanosekunden die Struktur: Es kommt zum Phasenwechsel. Gleichzeitig ändern sich auch optische und elektronische Eigenschaften wie die Reflektivität oder die elektrische Leitfähigkeit. Dies ermöglicht einen Einsatz der Phasenwechselmaterialien in der optischen Datenspeicherung, wo sie bereits heute - beispielsweise in wiederbeschreibbaren DVD's - zur Anwendung kommen. In Zukunft sollen die Materialien auch für die elektronische Datenspeicherung genutzt werden und als so genannte PRAM's Speicherkarten in Digitalkameras und Mobiltelefonen ersetzen.
Die meisten Materialien, die heute in der Mikro- und Nanoelektronik verwendet werden, lieben geordnete Verhältnisse: Sie ordnen sich im Kristall wie in einem starren Gitter an, in dem alle Atome einen festen Platz einnehmen. Gitterfehler wie fehlende Atome oder Versetzungen kommen nur sehr selten vor. In der Regel kann eine hohe elektrische Leitfähigkeit auch nur mit wenigen Gitterfehlern erreicht werden. Die Materialklasse der Phasenwechselmaterialien verhält sich nun ganz anders: Sie weisen viele unbesetzte Plätze im Kristall auf. Der Grund für diesen erstaunlichen Befund war bis jetzt vollkommen unbekannt.
An der RWTH untersuchten am Lehrstuhl für Physik neuer Materialien unter Professor Matthias Wuttig und am Lehrstuhl für Festkörper- und Quantenchemie unter Professor Richard Dronskowski Arbeitsgruppen zunächst mit aufwändigen, computergestützten Berechnungen die elektronischen Eigenschaften der Materialien. Sie fanden heraus, dass sich die Elektronen erwartungsgemäß genau zwischen den Atomen aufhalten und somit für den Zusammenhalt des Kristalls sorgen. Allerdings stellte man auch fest, dass ohne Leerstellen zu viele Elektronen vorliegen. Sie treten dann in antibindende Zustände ein und schwächen somit die interatomaren Bindungen. Rechnungen sagten weiterhin voraus, dass sich der Kristall nach Entfernung der "überschüssigen" Elektronen beispielsweise durch Bildung von Leerstellen stabilisiere - und zwar unter Energiegewinn. Das fehlerhafte Material ist demnach dank der Abwesenheit antibindender Elektronen insgesamt günstiger. Außerdem können laut Aussagen der Wissenschaftler verschiedene Materialzusammensetzungen mit unterschiedlichsten Leerstellenkonzentrationen koexistieren.
In der Tat gelang den RWTH-Forschern dann, zahlreiche neue Legierungen herzustellen und diese - wie bei einer DVD-RW - zwischen zwei unterschiedlichen Zuständen hin- und herzuschalten. Wie vorhergesagt, optimieren sich die für die Anwendung sehr wichtigen optischen Eigenschaften mit der Anzahl der Leerstellen. Die Präsentation der Arbeiten in "Nature Materials" zeigt eindrucksvoll die praktizierte Verbindung von Grundlagenforschung und technologischer Anwendung: Die ungewöhnlichen Defekteigenschaften der Phasenwechselmaterialien wurden geklärt, und gleichzeitig konnten neue Materialien entwickelt werden, die sich für gezielte, gesellschaftlich bedeutende Anwendungen auf Maß schneidern lassen.
i. V. Renate Kinny
Weitere Auskünfte geben
Prof. Dr. Richard Dronskowski, Tel. 0241 - 80-93642, und Prof. Dr. Matthias Wuttig, Tel. 0241 - 80-27155.
