Supertietokone paljasti dvd-materiaalien atomirakenteen salat

17.01.11

Tuore kansainvälinen tutkimus paljastaa AIST-seoksien kidemäisen ja amorfisen atomirakenteen yksityiskohdat sekä nopean rakennemuutoksen atomitason mekanismit ensimmäistä kertaa.  Suomalaisten, saksalaisten ja japanilaisten tutkijoiden ryhmä julkaisee uusimmassa Nature Materials -lehdessä uutta tietoa dvd-levyjen luku- ja kirjoitusprosessien atomitason ilmiöistä.

”Musiikin ja elokuvien digitaalinen tallennus dvd-levyille on osa arkeamme. Tiedon tallennusprosessin fysikaaliset periaatteet atomitasolla ovat pysyneet hämärän peitossa viime aikoihin saakka. Tutkimuksen myötä saavutettu uusi teoreettinen näkemys dvd-levyjen atomitason toimintaperiaatteista voi auttaa tallennusmateriaalien ja -menetelmien kehityksessä kohti pidempää elinikää, suurempaa tallennuskapasiteettia ja nopeampaa toimintaa”, kertoo tutkimuksessa mukana ollut akatemiatutkija Jaakko Akola Tampereen teknillisestä yliopistosta ja Jyväskylän yliopistosta.

Dvd-levyissä informaatio on tallennettu ohueen puolijohdekalvoon mikroskooppisten bittien muotoon, joista jokainen on alle 100 nanometriä halkaisijaltaan. Bittien sisäinen atomirakenne voi olla joko epäjärjestynyt (amorfinen) tai järjestynyt (kidemäinen), ja se voi muuttua näiden kahden olomuodon välillä muutaman nanosekunnin aikaskaalassa, kun materiaalia kuumennetaan nopealla laserpulssilla.

Yleisesti dvd- ja blu-ray-levyissä käytettävät seokset koostuvat germaniumista, antimonista ja telluurista. Kyseiset seokset merkitään lyhenteellä GST alkuaineiden ensimmäisten kirjaimien mukaan. Uudelleen kirjoitettavissa dvd-levyissä (DVD±RW) puolestaan suosituimmat AIST-seokset sisältävät pienen määrän hopeaa ja indiumia sekä suuren osan antimonia ja telluuria. Kumpikin seosluokka sisältää antimonia ja telluuria, ja niillä on paljon yhteisiä ominaisuuksia.

”Ultranopean rakennemuutoksen mekanismit poikkeavat kuitenkin toisistaan huomattavasti”, Akola kertoo. 

AIST-seoksien kidemäisen ja amorfisen atomirakenteen yksityiskohdat paljastuivat

AIST-seoksien atomirakenteen muutos epäjärjestyneestä kidemäiseksi etenee kidemäisen atomirakenteen ympäröimän bitin reunoilta keskustaa kohti. Tutkijoiden mukaan ilmiö johtuu paikallisesta sidoksenvaihtomekanismista, jossa epäjärjestyneen bitin yksittäisten atomien ympäristöt muuttuvat antimoniatomien pienten liikahdusten vaikutuksesta.

”Usean tällaisen liikahduksen sarja johtaa atomien yhteiseen uudelleenjärjestymiseen lumipallo-efektin tavoin, mikä ei vaadi materiaalilta merkittävää atomien kulkeutumista tai vapaata tilavuutta. Antimoniatomit, jotka laserpulssi virittää, ovat yksinkertaisesti vaihtaneet kahden olemassa olevan sidoksensa vahvuuksia toisikseen, josta sidoksenvaihtomalli onkin saanut nimensä.”

Tutkimusryhmä käytti sekä teoreettisia että kokeellisia menetelmiä. Erittäin raskaat materiaalien atomi- ja elektronirakenteen simulaatiot suoritettiin IBM Blue Gene/P supertietokoneella Saksan valtion tutkimuskeskuksessa (Forschungszentrum Jülich), ja kokeellinen röntgenspektroskopia mitattiin japanilaisella synkrotronikiihdyttimellä (SPring-8), joka on maailman tehokkain laitteisto kyseiseen tarkoitukseen.

Suomen Akatemian ja Japan Science and Technology Agency’n rahoittamaan yhteistyöhankkeeseen osallistui myös teollisuuden edustajia Panasonicilta. Tutkittavat materiaalit ovat käytössä kaupallisissa tuotteissa, ja mitatut näytteet olivat peräisin Panasonicin tutkimuslaboratoriosta.

Kiteytymisprosessin malli AIST (pdf)


Lisätietoja:
 
Akatemiatutkija Jaakko Akola
Tampereen teknillinen yliopisto
Fysiikan laitos
jaakko.akola(at)tut.fi

T. Matsunaga, J. Akola, S. Kohara, T. Honma, K. Kobayashi, E. Ikenaga, R.O. Jones, N. Yamada, M. Takata, and R. Kojima,  From local structure to nanosecond recrystallization dynamics in AgInSbTe phase-change materials ,Nature Materials 10, Advance Online Publication [DOI:10.1038/nmat2931].

Suomen Akatemian viestintä
tiedottaja Risto Alatarvas
p. (09) 774 88 345, 040 828 0648
etunimi.sukunimi(at)aka.fi

 

Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »