Optikai adattárolás fázisváltó anyagokon

Átírás

1 Optikai adattárolás fázisváltó anyagokon Fekete Balázs András 2015.IV.27 Kristályos és amorf anyagok előadás Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem

2 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

3 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

4 Az optikai adattárolók három generációja Az optikai adattárolóknak három generációja van jelenleg piacon Compact Disc MB λ = 780 nm, NA = 0.45, d tr = 1.6 μm DVD GB λ = 650 nm, NA = 0.6, d tr = 0.74 μm Blu-Ray GB λ = 405 nm, NA = 0.85, d tr = 0.32 μm

5 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, dtr = 1.6 μm

6 Az első generáció a Compact Disc

7 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, dtr = 0.74 μm

8 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, dtr = 0.32 μm

9 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

10 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

11 Phase change optical recording

12 Fázisváltó anyagok Több féle anyagot is vizsgátak, melyek igéretesnek mutatkoztak: In-Sb, Ag-Zn, Ge-Sb-Te, Ge-Te-Sn, Sb- Se-Te, Ag-In-Sb-Te etc. Ezek közül kettő, melyet széles körben alkalmaznak GeTe-Sb 2 Te 3 (Ge-Sb-Te, GST) and Ag-In-Sb-Te (AIST) GST nucleation-dominated material AIST growth-dominated material

13 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

14 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.

15 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 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

16 A fázisváltó anyagok fejlesztése A ma használt Ge2 Sb 2 Te5 (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

17 A DVD-lemez felépítése

18 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

19 Fundamental questions 1. Miért csupán két anyag tekinthető optimálisnak? 2. Egy kereskedelemben kapható DVD-RAM 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?

20 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?

21 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

22 Local structure change

23 Local structure change

24 Local structure change

25 Köszönöm a figyelmet!