Optikai adattárolás fázisváltó anyagokon Fekete Balázs András 2015.IV.27
Kristályos és amorf anyagok előadás Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem
Bevezető ●
●
●
●
Az információ tárolása rendkívül fontos kérdés az információs technológiában A jó eszköz olcsón előállítható, nagy mennyiségű adatot tárol, gyorsan kiolvasható jó minőségben, miközben időtálló és újra felhasználható Három fő típust tudunk megkülönböztetni: szilárdtestmemóriák, mágneses illetve opitkai adattárolás Mindegyik típusnak meg van a saját karakterisztikája, típuson belül is több megvalósítás ● Mindegyik típusnak vannak hátrányai → nincs univerzális adattároló
Bevezető ●
●
●
●
●
Az optikai adattárolás egy megbízható, hordozható, hosszú élettartamú, olcsón előállítható adattárolót biztosít Már az 1950-es 60-as években megkezdődtek a kutatások Az első CD-ROM-ot 1982-ben került piacra Lemez, melyen az információt egy spirálban körbefutó sávban (barázda) tároljuk Pit – land, különbség az optikaitulajdonságokban
Az optikai adattárolók három generációja ●
Az optikai adattárolóknak három generációja van jelenleg piacon Compact Disc 650 MB ● 1982 ● λ = 780 nm, NA = 0.45, d = 1.6 μm tr ● DVD 4.7 GB ● 1995 ● λ = 650 nm, NA = 0.6, d = 0.74 μm tr ● Blu-Ray 25 GB ● 2003 ● λ = 405 nm, NA = 0.85, d = 0.32 μm tr ●
Az első generáció – a Compact Disc ●
●
●
A CD-t kifejezetten digitálisan kódolt audio adatok tárolására fejlesztették ki (Philips és Sony) Az adatok és szoftverek tárolása esetében a floppylemezt váltotta Gyakorlatilag a modern optikai tárolók “ősanyja” ●
Compact Disc 650 MB ● 1982 ● λ = 780 nm, NA = 0.45, d = 1.6 μm tr
Az első generáció – a Compact Disc
A második generácó – Digital Versatile Disc ●
●
●
A DVD kifejlesztéséhez a fő motiváció a video formátumú adatok tárolása Hasonló a CD-hez, de különböző adattárolási technológiát használ, magasabb a kapacitása A DVD video, audio és adat formátum együttes tárolását teszi lehetővé ●
DVD
4.7 GB
1995 ● λ = 650 nm, NA = 0.6, d = 0.74 μm tr ●
A harmadik generáció – blu-ray discs ●
A HDTV népszerűségének növekedése ● ●
●
Nagyobb mennyiségű adat nagy sebességgel Kisebb hullámhossz → kisebb foltméret
Blu-Ray 25 GB 35 Mbps ● 2003 ● λ = 405 nm, NA = 0.85, d = 0.32 μm tr
ROM, R, RW ●
Read Only Memory A pitek mélysége 1/4 – 1/6-a a hullámhossznak ● A pitből származó és a széléről visszaverődő sugarak között fázistolás lép fel ● Destruktív interferencia → Intenzitás-csökkenés Recordable ●
●
Nagy teljesítményű lézerrel megviláítva olyan változást idéz elő a lemez optikai tulajdonságaiban, mely kis teljesítményű lézerrel kiolasható Rewritable ●
●
●
Fázisváltó anyagok
Phase change optical recording ●
●
●
Az információ rögzítés alapelve, hogy a fázis-váltó tuajdonsággal rendelkeő anyagból készült vékony filmet lézerrel megvilágítva annak egy meghatározott kis tartományon az anyag szerkezetét módosítani tudjuk A rögzített információ visszanyerésekor azt használjuk ki, hogy a külnböző szerkezetű anyagrészek erősen különböző optikai tulajdonságokkal rendelkeznek Két mevalóítási lehetőségünk van: ● ●
Amorf és kristályos fázisok Két különböző struktúrájú kristáyos fázis
Phase change optical recording
Fázisváltó anyagok ●
●
Több féle anyagot is vizsgátak, melyek igéretesnek mutatkoztak: In-Sb, Ag-Zn, Ge-Sb-Te, Ge-Te-Sn, SbSe-Te, Ag-In-Sb-Te etc. Ezek közül kettő, melyet széles körben alkalmaznak GeTe-Sb2Te3 (Ge-Sb-Te, GST) and Ag-In-Sb-Te (AIST) ● ●
GST – nucleation-dominated material AIST – growth-dominated material
Important factors ●
●
Írás/olvasás ciklus: Az anyagnak el kell bírnia, hogy nagyon sokszor váltson amorf és kristály fázis között. Kristályosodási sebesség: Minél gyorsabban kristályosítható a fázisváló anyag, annál rövidebb a törlési idő. ●
●
Nagy atomi mobilitás az amorf és a túlhűtött fázisban (viszkozitás, gyenge kötések) Rövid diffúziós távolság az amorf fázisban
Important factors ●
●
●
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.
A fázisváltó anyagok fejlesztése ●
●
●
●
1968-ban S. R. Ovshinsky felfedezett egy gyors és reverzibilis átmenetet egy rezisztív (rendezetlen) és egy konduktív (rendezett) fázis között kalkogenid anyagokban Feinleib: Lézerrel előálított opikai memória kalkogenidekben. 1983 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. ●
Nagyobb stabilitás viszont a törlési (kristályosítási idő, 1 μs) hosszabb
A fázisváltó anyagok fejlesztése ●
A ma használt Ge2Sb2Te5 (GST) 1991-ben , Yamada ● ●
●
Nagy optikai kontraszt a két fázis között Két ZnS hővezető réteg közé szendvicselve gyorsan lehet kristályosítani (50 ns)
A másik, AgInSbTe (AIST) 1992, Iwasaki ●
Rendkívül jól kezelhető anyag
A DVD-lemez felépítése
Springer Handbook ●
●
●
Springer: Handbook of Electronic and Photonic materials A fázisváltó-anyagok viselkedése kvalitatíven jól ismert, ugyanakkor a nanoskálán történő értelmezése nem egyértelmű Six fundamental questions
Fundamental questions 1. Miért csupán két anyag tekinthető optimálisnak? 2. Egy kereskedelemben kapható DVD-RAM 1 000 000 írási ciklusig stabil. Mi teszi ezt ennyire stabillá? 3. GST kristályosdási sebessége 30 ns, az amorf bitet femtoszekundumos lézerrel lehet előállítani. Miért ilyen gyorsak a struktúrális átalaklások?
Fundamental questions ●
●
●
4. A kristályosodási folyamat aktivizációs energiája 2– 3 eV. Ezt szilárdtest-fizikai megfontolásokból a gap sáláján várnánk, ami ≈ 0.3 eV. Miért ilyen magas? 5. Félvezetőkben általában az amorf fázis gapje kisebb, mint a kristályosé. A vizsgált anyagok esetében ez pont fordított – mi okozza ezt? 6. A megvilágító lézernek a melegítésen kívül van-e más szerepe?
Local structure change ●
Röntgen-spektroszkópiai vizsgálatok ●
●
●
XAFS – X-ray absorption fine structure EXAFS – Extended X-ray absorption fine structure ● kémiai elemre vonatkoztatva függetlenül nyerhetünk információkat XANES – X-ray absorption near-edge structure ● érzékeny a szomszédos atomok kölcsönös elhelyezkedésére ● alkalmas betöltetlen vezetési-sáv-beli állapotok kimutatására
Local structure change
Local structure change
Local structure change
Köszönöm a figyelmet!
