Datenspeicher nutzt photovoltaischen Effekt

Flash-Speicher dominieren derzeit mit ihren hohen Kapazitäten den Markt für nicht-flüchtige Festkörperlaufwerke. Allein das Auslesen der Daten dauert mit etwa zehn Mikrosekunden immer noch relativ lange. Sehr viel schneller reagieren neuartige Speichermodule, die Wissenschaftler von der Nanyang Technological University in Singapur nun entwickelt haben. Aufgebaut aus Bismutferrit (BiFeO₃) bieten sie neben ihrer Ferroelektrizität die Möglichkeit, digitale Daten mithilfe eines photovoltaischen Effekts auszulesen. Der erste Prototyp erzielte sehr schnelle Leseraten von nur wenigen Nanosekunden.

Für ihr Testmodul fertigten Juling Wang und seine Kollegen die untere Elektrode aus Lanthanstrontiummanganat mit Laserdeposition. Auf dieser ließen sie epitaktisch eine Kristallschicht aus Bismutferrit wachsen, die sie oben mit einer sehr dünnen Platinelektrode kontaktierten. Verknüpft mit lithografischen Methoden entstand so ein kleines Gittersystem mit insgesamt 16 Speicherzellen an den Gitterknoten. Für die Speicherung digitaler Daten dienten nun Spannungspulse von plus oder minus 3 Volt, die je nach Polung zu zwei verschiedenen Polarisationszuständen des ferroelektrischen Bismutferrit führten.

Bis zu diesem Punkt waren bereits andere Arbeitsgruppen bei der Entwicklung nicht-flüchtiger Datenspeicher gekommen. Doch für das Auslesen der jeweiligen Polarisierung nutzte das Forscherteam nun den photovoltaischen Effekt, der auf einer Bandlücke von 2,7 Elektronenvolt im Bismutferrit beruhte. So reichte die Beleuchtung des Moduls mit einer Halogenlampe aus, um je nach Ausrichtung der Polarisierung kleine Photospannungen von +0,21 bzw. –0,13 Volt zu erhalten. Über die Messung dieser Spannungen konnten die Forscher sehr schnell binnen weniger Nanosekunden die jeweiligen Polarisierungen und damit die digitalen Basiswerte 0 oder 1 bestimmen. Ein weiterer Vorteil: Unter Lichteinfall konnten diese Daten jederzeit abgegriffen werden und gingen nach dem Leseprozess auch nicht verloren, wie es bei bisher entwickelten ferroelektrischen Datenspeichern der Fall war.

Diese vom photovoltaischen Effekt unterstützte Auslese-Methode könnte nun zu schnellen und zugleich Strom sparenden, nicht-flüchtigen Datenspeichern führen. Zwar war der Prototyp mit gerade mal 16 Bits noch sehr klein, doch halten die Forscher eine Skalierung auf weitaus größere Werte für kein großes Problem. Im Gegenteil rechnen sie damit, dass mit ihrer Technologie sogar die doppelte Speicherkapazität im Vergleich zu herkömmlichen Flash-Speicherkarten möglich sei. Zudem könnten diese Module etwa tausendmal häufiger beschrieben und gelöscht werden als Flash-Speicher, die heute für etwa 100.000 Schreibzyklen ausgelegt sind.

Gelingt nun die Entwicklung spezialisierter Fertigungsverfahren, hat diese Technologie das Potenzial für universelle Datenspeicher, die in einigen Jahren die bisher verwendete Speicherkarten vom Markt verdrängen könnte. Allerdings müsste dazu jede Digitalkamera und jeder Laptop mit einer zusätzlichen Lichtquelle für das Auslesen der Speicherkarte bestückt werden.

Jan Oliver Löfken

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