Wissenschaftler in Jülich und Aachen begründen die Wärmeleitfähigkeit von Phasenwechselmaterialien mit den Bindungsverhältnissen der Atome

Jülich/Aachen - Phasenwechselmaterialien werden für die Speicherung von Daten in DVDs, Blu-ray Discs oder wiederbeschreibbaren CDs verwendet. Zum Schreiben und Auslesen der Bits werden durch punktuelle Wärmezufuhr die optischen Eigenschaften des Materials in kleinsten Bereichen mit Lasern verändert. Wissenschaftler in Jülich und Aachen haben herausgefunden, dass die Wärmeleitfähigkeit solcher Materialien im kristallinen Zustand überraschend niedrig ist. Phasenwechselmaterialien bieten damit gute Voraussetzungen für die Entwicklung von schnelleren, nichtflüchtigen und energiesparenderen Arbeitsspeichern für Computer.

"Um energiesparende und dicht gepackte elektronische Datenspeicher zu verwirklichen, ist es wichtig, dass sich beim Einschreiben der Daten die elektrische Leitfähigkeit deutlich verändert, die Energie aber möglichst lokalisiert bleibt", erläutert Raphaël Hermann. Dazu eignen sich phasenwechselnde Materialien besonders gut, da sie Wärme im amorphen (ungeordneten) Zustand sowie im kristallinen (geordneten) Zustand schlecht leiten.

An der Europäischen Synchrotronquelle ESRF in Grenoble untersuchten die Forscher die Bindungsverhältnisse zwischen den Atomen. "Im kristallinen Material fanden wir härtere Schwingungen für lange Reichweiten und bessere Leitfähigkeit für Schall als im amorphen. Das ist normal und hängt mit einer Zunahme der Ordnung zusammen. Aber bei den Schwingungen mit kurzer Reichweite im Kristall erlebten wir eine Überraschung: Sie waren weicher. Die Nahordnung im kristallinen Material ist also geringer als im amorphen. Das ist sehr ungewöhnlich", erklärt Hermann.

Die Forscher entwickelten mithilfe ihrer Messungen ein Modell, welches das sonderbare Verhalten erklärt: Während sich die Atome im kristallinen Zustand immer paarweise Bindungen teilen, binden sich die Atome im amorphen Material stärker - sie sind kovalent gebunden. Damit schwingen die Atome im kristallinen Material weicher und es gibt zusätzlich mehr Unordnung im lokalen Bereich. Dies führt zu einer schlechteren Wärmeleitfähigkeit des Materials. Durch ihre neuen Erkenntnisse zu Phasenwechselmaterialen erhoffen sich die Wissenschaftler, eine Antwort auf die Frage nach dem idealen Material für neue Arbeitsspeicher zu finden.