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 1982 650 MB λ = 780 nm, NA = 0.45, d tr = 1.6 μm DVD 1995 4.7 GB λ = 650 nm, NA = 0.6, d tr = 0.74 μm Blu-Ray 2003 25 GB λ = 405 nm, NA = 0.85, d tr = 0.32 μm
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
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, dtr = 0.74 μm
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
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, 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
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 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
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!