11.06.2004

Ultradünn und stabil

Speicherkarten können deutlich kleiner werden - das physikalische Limit ist noch lange nicht erreicht.


Ultradünn und stabil

Speicherkarten können deutlich kleiner werden - das physikalische Limit ist noch lange nicht erreicht.

Argonne (USA) - Flash-Speicherkarten können heute in Digitalkameras und Handheld-Computern bereits mehrere Gigabytes dauerhaft speichern. Theoretisch lässt sich die Kapazität dieser Datenträger bei gleichem Format noch um das rund Hundertfache steigern.

Nur eine 1,2 Nanometer messende, aus drei Einheitszellen bestehende Struktur aus Bleititanat reicht aus, um die grundlegenden ferroelektrischen Eigenschaften bei Raumtemperatur zu stabilisieren. In diesen Strukturen lässt sich im Prinzip durch ein äußeres elektrisches Feld eine dauerhafte Polarisation erzeugen, die je nach Ausrichtung die Speicherung eines Bits, also einer "0" oder "1", erlaubt. Diese physikalische Grenze von Flash-Speicher konnten amerikanische Physiker nun erstmals in einem Experiment belegen, das sie in der Fachzeitschrift "Science" beschreiben.

"Theoretische Studien sagten erst kürzlich voraus, dass eine stabile Ferroelektrizität noch bei dünnen Bleititanat-Filmen mit nur wenigen Einheitszellen Dicke existiert", erklären Dillon Fong und seine Kollegen vom Argonne National Laboratory die Motivation zu ihren Messungen. Daher deponierten sie aus der Dampfphase kontrolliert winzige Einheiten aus Bleititanat auf einer isolierenden Oberfläche aus Strontiumtitanat. Über die Streuung von fokussierter Röntgenstrahlung - erzeugt im Synchrotronring der Advanced Photon Source - ermittelten die Physiker die minimale Größe, ab der eine Perowskit-Struktur aus Bleititanat ferroelektrische Eigenschaften ausweist.

"Bisherige Daten legten eine kritische Größe bei Raumtemperatur bei etwa 20 bis 30 Einheitszellen nahe", so Fong. Doch diese Abschätzungen konnte er nun eindrucksvoll widerlegen. Allerdings unterhalb von drei Bleititanat-Einheitszellen verbleibt die Struktur im paraelektrischen Zustand und kann für eine Datenspeicherung über eine von außen steuerbare Polarisation nicht mehr genutzt werden. Neben der Anwendung in nicht flüchtigen Flash-Speichern lassen sich die ferroelektrischen Eigenschaften auch in mikroelektromechanischen Systemen verwenden. Denn diese Perowskit-Strukturen können mechanische Energie in elektrische und umgekehrt umwandeln. Aufbauend auf diesen piezoelektrischen Effekt arbeiten bereits heute winzige Mikroaktuatoren, die nach diesen neuen Erkenntnissen noch weiter miniaturisiert werden können.

Doch bis Flash-Speicher-Hersteller tatsächlich an diese physikalische Grenze der Speicherkapazität heranreichen, müssen noch geeignete Produktionsmethoden entwickelt werden. Die hier genutzte Abscheidung aus einer Dampfphase (CVD-Verfahren) ist nicht für den dicht gepackten Aufbau von Milliarden Speichereinheiten auf kleinstem Raum geeignet. Stand der Technik ist derzeit die photolithografische Produktion von rund 90 Nanometer kleinen Strukturen. Das Größenlimit für Flash-Speicher wird daher eher durch die Auflösung der optischen Belichtungsverfahren als durch die physikalischen Eigenschaften der Perowskit-Strukturen selbst vorgegeben.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • C. H. Ahn, K. M. Rabe, J.-M. Triscone, Science 303, 488 (2003).   
  • R. Waser, A. Rudiger, Nature Mater. 3, 81 (2004).   
  • M.-W. Chu et al., Nature Mater. 3, 87 (2004).   
  • J. Junquera, Ph. Ghosez, Nature 422, 506 (2003).   
  • B. Jiang, J. L. Peng, L. A. Bursill, W. L. Zhong, J. Appl. Phys. 87, 3462 (2000).   
  • K. Ishikawa, T. Nomura, N. Okada, K. Takada, Jpn. J. Appl. Phys. 35, 5196 (1996).




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