Kristályos és amorf anyagok Félév végi előadás – Optikai adattárolás fázisváltó anyagokon A mai információs technológiára alapuló világunkban az infromáció tárolása egy rendkívül fontos kérdés. A cél az, hogy egy olyan eszköz készüljön, mely olcsón előállítató de nagy mennyiségű adatot lehet rajta tárolni, gyorsan lehessen adatot rátenni illetve kiolvasni belőle – és mindezt természetesen jó minőségben – miközben újrahasználható de egyben időtálló is. Adattároló eszközökből a technika szerint három típust tudunk megkülönböztetni, ezek a szilárdtest-memóriák, a mágneses illetve az optikai adattárolók. Mindegyik típusnak megvannak a saját jellemzői, előnyei és hátrányai ami persze a típusokon belüli sok megvalósítás következtében, még sokszínűbbé válik. Emiatt – hogy minden adattárolónak az előnyei mellett hátrányai is vannak – nem létezik egyetlen egy univerzális adattároló, hanem különböző feladatokra különböző eszközöket használunk azokon a területeken melyeken pozitív tulajdonságaik jelentősek. Az optikai adattárolás egy olcsó, hordozható de megbízható és hosszú élettartamú adattárolási lehetőséget biztosít. Nagy előnye, hogy az adatkiolvasás non-kontakt történik, így – pl egy CD-lemez esetén – a lejátszások száma lényegben nem rongálja meg az adattárolót (és a pickup-ot) szemben például az ősével, a bakelitlemezzel. Ezen felül lehetőséget biztosít többféle módus (read only, write-once-read-many, rewritable) előállítására is. A kutatások a területen már az 1950es, 60-as években megkezdődtek, de az első olyan ilyen adathordozó, mely képes volt széles körben eleterjedni csupán 1982-ben készült el. Először a CD-ROM készült el, majd később a különböző módusok is sorra megjelentek a piacon – pl az első újraírható CD 1997-ben. Az optikai adattároló rendszerek két elemből állnak: az író/olvasó egység illetve a tároló eszköz. A tároló eszköz – mely egy forgó lemez – előre meformázott elem, melyen sávok (bakelitos analógiával barázdák) vannak, ezen az úgynevezett pitek és landek váltják egymást, ezzel valósul meg a digitális adat tárolása. A dolog onnan lesz optikai, hogy a pit-land páros a lemez optikai tulajdonságaiban eredényez külnbséget – melyeket az olvasólézerrel megvilágítva, a visszaverdő fényből fejtjük vissza a lemezen lévő információt. Jelenleg a piacon az optikai adattárolóknak három típusa – három generációja kapható. Mint ahogy szó volt róla, elsőként a Philips fejlesztésében Compact Disc jelent meg, melynek eredeti célja a digitális formátumú audiófájlok tárolása volt, hogy ezzel az akkoriban még elterjedt bakelitlemez és kazetta páros leváltása volt egy jobb minőségű és időtálló formátummal. Ugyanakkor már az egyik első alkalmazás között volt az adattárolás is (80-as években már telefonkönyveket is kiadtak CD-n), de ebben az időszakban kezdett túlságosan szűkössé válni a floppylemezek világa a kor programozóinak, ezért szoftverek tárolására is elkezdték alkalmazni. Gyakorlatilag a mai modern optikai tárolók ősanyjának tekinthető. Mára már elavulttá vált, részben azért, mivel zenét már ms eszközökön hallgatunk, részben pedig azért mivel a 650 MB-os kapacitása eléggé kicsi. Adódik a kérdés, hogy hogyan tudjuk növelni az optikai tároló kapacitását? A diffrakciólimitált fóuszált lézernyaláb a foltmérete arányos a lézernyaláb λ hullámhosszával és fordítottan arányos a NA numerikus apertúrával. A sűrűség tehát ennek a reciproka, azaz a következő (dia 6.o). Ha az (információ) sűrűséget akarjuk növelni, akkor vagy a numerikus apertúrát kell növelni, vagy pedig a hullámhosszat csökkenteni. A DVD lézere egy kisebb hullámhosszú lézernyalábot használ, nagyobb numerikus apertúrájú lencsével, aminek a következménye, hogy keskenyebb sávokban tudjuk rögzíteni az információt, azaz ugyanakkora helyen több adat fér el. Ezenkívül a kapaitást, az információsűrűséget a három hordozó (CD, DVD, BD) között a jobb kódolás, a jelfeldolgozás és a hibatűrés fejlesztése is emeli – de a legfontosabb továbbra is a lézer foltmérete.
Míg a CD-t az audiofájlok, addíg a DVD-t a videofájlok tárolása ösztönözte. Felépítése hasonló a CD-hez, de különböző adattárolási technikát használ, aminek következményében sokkal nagyobb a kapaciása. Video, audio és adat formátum együttes tárolását és elrését teszi lehetővé egyetlen lemezen – kell a mozgókép, hozzá néhány hangsáv (angol, magyar, szuahéli...) és persze a felíratok. A minél vékonyabb és szélesebb, jobb képminőségű televíziók elterjedése új igényt nyitott. A HDTV népszerűségének növekedésével szükég volt egy új generációs adattároló formátum létrehozására, mely képes nagy mennyiségű adatot tárolni, arról pedig az nagy sebességgel olvasható. A lézer hullámhosszát csökkentették 405 nm-re, ami így a kék-ibolya tartományban van – innen jön a neve – a lencse numerikus apertráját is megnövelték és még számos technikai húzással elérték, hogy egy lemezre ráférjen 25 GB-nyi tartalom (ami dual-disc technológával 50-re növelhető) és 36 Mbps-al lehessen kiolvasni a tartalmát (DVD-nél ez 11, CD-él 1.4 körül van). Korábban már szó volt az ún. módusokól, melyeket egy hodozó esetén meg lehet valósítnai, nézzük hát meg, hogy mi is ezeknek a működési alapja. A Read Only Memory-k alapelve a legegyszerűbb, ebben az esetben a pitek ténylegesen gödrök, melyek mélysége a lézer hullámhosszának negyede, hatoda. A lézer nem csak a pitbe jut, hanem annak szélére is, így a két helyről visszaverőő fénysugát között van egy fázisbeli különbség. Ez a fáziskülnbség destrutív interferenciát eredményez, mely pedig az érzékelt intenzitás csökkenésében válik érzékelherővé. A következő módus a Recordable Memory, azaz írható – szokás ezt még write-once-readmany memory-nak is nevezni, ami arra a tulajdonságra utal, hogy egyszer ráírunk valamit, aztán már csak olvasni tudjuk a későbbiekben. Ennek megvalósítására sok lehetőség van, de ami mindben közös, hogy egy erős intenzitású író lézerrel módosítjuk a lemez optikai tuladonságait. Pédául egy estérkréteg leégetésével. A Rewritable módus az, ami minket fog érdekelni, mivel ezt a típust valósítják meg fázisvtó anyagok segítségével. Fázisváltó anyagok esetében az információ rögzítésnek alapelve, hogy a fázis-váltó tuajdonsággal rendelkező anyagból készült vékony filmet lézerrel megvilágítva annak egy meghatározott kis tartományon az anyag szerkezetét módosítani tudjuk, mely az optikai tulajdonságok megváltozásával jár. A rögzített információ visszanyerésekor azt használjuk ki, hogy a külnböző szerkezetű anyagrészek erősen különböző optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ennek két mevalóítási lehetőségünk van. Az egyik lehetőség, hogy az amorf és kristályos fázisok között váltogatjuk az anyagok, illetve olyan lehetőségünk is van némely anyag esetén, hogy két különböző struktúrájú kristáyos fázis közötti átmenetet valósítunk meg. Gyakorlatban az előbbit alkalmazzuk. A lemez írásának első folyamata az inicializásás, ez tuladonképpen a teljes lemez, az összes bit kikristályosítása. Úgyhogy vizsgáljuk először ezt a folyamatot. Lézerrel a lemez egy pontját – egy bit helyét – egy adott időintervallumon (ez néhány tíz nanoszekundum) felmelegítjük a kristályosodási hőmérséklet és az olvadási pont közé. Ez idő alatt az anyag a besugárzott tartományon kristályos szerkezetet vesz fel (anyagtudományos példa – vödör golyó rázás hatására a minimális térfogatot veszi fel). [Táblára felrajzolni a lézer teljesítményét időben ~ haranggörbe] Az írási folyamat, a lemezen amorf pontok elhelyezése a következő képpen történik. Egy nagyon rövid (femtoszekundumos) impulzussal felmelegítik az olvadáspont főlé az anyagot, amit hagynak kihűlni. Mivel egy speciális hővezető réteg is van a lemezen, ezért ki tud olyan gyorsan hűlni, hogy az anyag amorf fázisba kerüljön – (quenching). Egy időben népszerű volt kézi kamerák esetében, hogy egyből DVD-re írták a felvett anyagot – ez manapság szilárdtest memóriába történik. Ezt úgy vitelezték ki, hogy a lemezt a lézer egy állandó teljesítménnyel sugározta be (bias level), ami elég volt az adott bitek inicializálásához
(kristályosítás), amorf bitet pedig egy erre a jelre felülő tüskével (lézerimpulzus) hoztak létre az előbb leírt módon. Belátható, hogy erre nem minden anyag képes. Több féle anyagot is vizsgátak, melyek igéretesnek mutatkoztak fázisváltó optikai tárolók létrehozásához. Csak a legfontosabbakat, a legígértesebbnek mutatkozókat felsorolva: In-Sb, Ag-Zn, Ge-Sb-Te, Ge-Te-Sn, Sb-Se-Te, Ag-In-SbTe etc. Ezek közül azonban csak kettő az melyet ma széles körben alkalmaznak, ezek a GeTeSb2Te3 (Ge-Sb-Te, GST) illetve Ag-In-Sb-Te (AIST). A két anyag között (GST és AIST) a kristályosodási mechanizmus folyamatában van különbség. Míg a GST kristályosodását a nukleáció dominálja (szemcsék létrejötte), addíg az AIST esetében a szemcsék növekedése a meghatározó. Az anyagok kiválasztásánál a következő szempontokat kell figyelembe venni: •
• •
• • • •
Írás/olvasás ciklus: Az anyagnak el kell bírnia, hogy nagyon sokszor váltson amorf és kristály fázis között. Belátható, hogy a fázis-váltás ciklusa hosszú távon anyagkiváláshoz, feszültség-fellépéséhez és mikrorepedések megjelenéséhez vezet ami jelentősen csökkenti a lemez minőséget és az anyag élettartamát. Kristályosodási sebesség: Minél gyorsabban kristályosítható a fázisváltó anyag, annál rövidebb a törlési idő, azaz gyorsabban lehet írni a lemezt. Nagy atomi mobilitás az amorf és a túlhűtött fázisban (viszkozitás, gyenge kötések), mely a kristályos → amorf átmenet gördülékenysége miatt lényeges. Ha túlságosan erősek a kötések a megolvasztás nehéz, ha kicsi a mobilitás, akkor pedig a kristály alkotói a kihűlésig nem mozdulnak el túlságosan, nem rendeződnek át annyira, hogy jelentős különbséget eredményezzen, ami az amorf-kristályos fázisok közötti kontraszt csökkenését eredményezi. Rövid diffúziós távolság az amorf fázisban. Olvadás pont: Lézerrel olvasztunk, ezért nem lehet túlságosan magas. Nem lehet ugyanakkor túl alacsony sem, mivel szobahőmérsékleten is ki tudna kristályosodni. Termikus stablilitás: minél nagyobb, annál hosszabb ideig lehet használni a lemezt. Optikai konstansok: olyan anyagra van szükség, melynek amorf és kristályos fázisának optikai tulajdonságai erősen különböznek, jó a kontraszt.
Néhány pontban a fejlesztés történetéről. A fejlesztések a területen a hatvanas évek végén indultak meg, amikor 1968-ban S. R. Ovshinsky felfedezett egy gyors és reverzibilis átmenetet egy rezisztív (rendezetlen) és egy konduktív (rendezett) fázis között kalkogenid anyagokban . Később Feinleib állított elő lézerrel opikai memóriát kalkogenidekben. Majd 1983-ban Clemens, kis mértékben dope-olt Te filmben valósított meg opikai adattárolást, ahol 4 * 10^4 lehetséges ciklust ért el. Ugyanebben az évben, Takenaga 10^6 írás/olvasás ciklust ért el Te-oxid lemezen. Ez utóbbinak nagyobb volt a stabilitása, viszont a kristályosítási ideje nagyon hosszú volt (~1 μs), így erről hamar bebizonyosodott, hogy nem lesz megfelelelő. A ma használt Ge2Sb2Te5 (GST)-ből készült optikai tároló prototípusát 1991-ben , Yamada készítette el (Philips, Sony támogatás/közreműködés). Erről hamar kiderült, hogy nagyon jó lesz, mivel gyorsan lehetett kristályosítani (50 ns) és a két fázis közötti optikai kontraszt is nagyon jó volt. A másik anyagtípusból, az AgInSbTe (AIST) 1992, Iwasaki készített optikai tárolót. A fenti képen egy hagyományos DVD lemez szerkezete látható. A legalsó réteg az átlátszó polikarbonát réteg. Ezen két ZnS réteg között – melyek a védelem mellett a gyors hővezetést biztosítják – szendvicselve foglal helyet a fázisváltó anyagból készült réteg. A legfölső – záró – réteg pedig egy tükröző felület. Ez egy single lemez vázlata, dual disc-ek esetében az Al réteg helyén egy féligáteresztő réteg van, mely alatt egy újabb szendvicselt fázisváltó réteg található. Az
író/olvasó lézer fókuszának módosításával ezt az alsó réteget is lehet alkalmazni információ tárolására. CD-ről még nem hallottam, de DVD és Blu-ray esetében ez egy alkalmazott módszer, amivel közel duplájára lehet emelni a lemez kapacitását – DVD esetében arra is van példa, hogy két ilyen dual disc-et back-to-back összeragasztanak, így egy “tokban” négy DVD-nyi adatot lehet táolni. Most, hogy így az optikai adattárolás lényegével megismerkedtünk, rátérnék az előadásom utolsó tartalmi egységének. Míg az optikai adattárolás alapja kvalitatíven egy jól értett folyamat, addíg a mikroszinten még mindíg kutatott jelenségkörről van szó. A Sringer Handbookból származó cikk pontosan ezzel a kérdéskörrel foglalkozik, amit most akkor igyekszem összefoglalni. A cikk abból indult ki, hogy feltettek hat darab úgynevezett fundamentális kérdést, melyre válaszokat keresve igyekeznek megérteni a folyamat nanoskálás működését. A kédések a következők: I. Miért csupán két anyag tekinthető optimálisnak? Mint azt láttuk ez nem egy túlságosan komplikált folyamat, tehát elvileg számtalan olyan anyagkombináció lehetne, ami különböző feladatokra lenne alkalmasabb, miért csak ezzel a kettővel találkozunk a boltok polcain? II. Arról szó volt, hogy a sok írási ciklus jelentősen rongálni tudja az anyagot. Egy kereskedelemben kapható DVD-RAM 1 000 000 írási ciklusig stabil. Mi teszi ezt ennyire stabillá? III. GST kristályosdási sebessége 30 ns, az amorf bitet femtoszekundumos lézerrel lehet előállítani. Miért ilyen gyorsak a struktúrális átalaklások? Ennél azért hosszabbat várnánk. IV. A kristályosodási folyamat aktivizációs energiája 2–3 eV. Ezt szilárdtest-fizikai megfontolásokból a gap sáláján várnánk, ami ≈ 0.3 eV. Miért ilyen magas? V. Félvezetőkben általában az amorf fázis gapje kisebb, mint a kristályosé. A vizsgált anyagok esetében ez pont fordított – mi okozza ezt? VI. Illetve végül a megvilágító lézernek a melegítésen kívül van-e más szerepe? A kérdések megválasolásához az anyag – GST – ún. local structure-jét, a helyi szerkezetét kellett vizsgálni, a vizsgálatokat röntgen spektroszkópiával végezték, mely módszerek a dián (21.o) láthatók. A spektrum Fourier-transzformáltja látható (23.o), amiből az egyes elemekre vonatkotatott kötéshosszokat számolták. A kifinomultabb röntgen-spektroszkópiai módszerek (EXAFS, XANES) alkalmasak egyes kémiai elemek környezetét függetlenül vizsgálni – a két spektrum így a tellúrra és a germániumra külön elkészíthető, ábrázolható, az egyes elemek közötti kötések, szomszédsűági viszonyok visszafejthetőek, melyekből a kristályszerkezet meghatározható. A mérések – és a cikk konklúziója az volt, hogy ugyan a kérdéses anyag, a GST stabil kristályszerkezete hexagonális, ennek ellenére a lemezen nem abba, hanem a dián (22.o) látható kősó-szerkezetbe (fcc) kristályosodik ki. Ez a szerkezet eléggé izotróp, közelebb áll az amorf állapothoz, mint a másik – a hexagonális – kristálystruktúra (II.-III. fund. q.). Itt van egy kis ellentmondás a könyv és a cikk között, előbbiben is úgy szerepel, hogy az átmenet a kristályos fázisból az amorf fázisba az fcc-n keresztül történik, viszont a kristályos bit relaxáció utján felveszi a hexagonális szerkezetet. Visszatérve a cikkhez (24.o) egy további állításuk, hogy nem egy nagyfokú átrendeződés következik be, hanem a a gyengébb Ge-Te kötések feszakadnak – ehhez kell a szokatlanul magas
energia (IV. fund. q.) – és átrendezőnek. Az új, tetrahedrális struktra ugyan well-defined (ez vezet a nagy stabilitáshoz) de hosszú távon nem periodikus. Tehát az adódik, hogy összességében az amorf fázis lokálisan rendezettebb, mint a kristályos. Mivel a kötések az amorf fázisban rövidebbek lettek, ezértvált lehetségessé, hogy a megszokottal ellentétben itt legyen kisebb a gap. (V. fund. q.) Végül pedig a szerző meglátása, hogy a lézernyaláb töltéshordozók létrehozásával a hmérsékleten felül hozzájárul a kötés gyengítéséhez és ezzel a struktúra átalakításához. (VI. fund. q.) Ezzel így az összes feltett fundamentális kérdést megválaszoltuk és közelebb kerültünk a fázisváltó anyagok nanoskálán történő “működésének” megértéséhez.
