Een team van wetenschappers van de School of Molecular Sciences van de Arizona State University en Duitsland heeft gepubliceerd in: wetenschappelijke vooruitgang vandaag online een uitleg over hoe een bepaald Phase Change Memory (PCM)-materiaal duizend keer sneller kan werken dan het huidige flash-computergeheugen, terwijl het aanzienlijk duurzamer is met betrekking tot het aantal dagelijkse lees- en schrijfbewerkingen.

PCM's zijn een vorm van willekeurig toegankelijk computergeheugen (RAM) dat gegevens opslaat door de toestand van de "bits" te wijzigen, (waarvan miljoenen deel uitmaken van het apparaat) tussen vloeistof, glas- en kristaltoestanden. PCM-technologie heeft het potentieel om goedkope, hoge snelheid, hoge dichtheid, hoog volume, niet-vluchtige opslag op een ongekende schaal.

Het basisidee en materiaal zijn uitgevonden door Stanford Ovshinsky, lang geleden, in 1975, maar toepassingen zijn blijven hangen vanwege gebrek aan duidelijkheid over hoe het materiaal de faseveranderingen op zulke korte tijdschalen kan uitvoeren en technische problemen met betrekking tot het beheersen van de veranderingen met de nodige precisie. Nu high-tech bedrijven zoals Samsung, IBM en Intel racen om het te perfectioneren.

Het halfmetalen materiaal dat momenteel wordt onderzocht, is een legering van germanium, antimoon en tellurium in de verhouding 1:2:4. In dit werk onderzoekt het team de microscopische dynamiek in de vloeibare toestand van deze PCM met behulp van quasi-elastische neutronenverstrooiing (QENS) voor aanwijzingen over wat de faseveranderingen zo scherp en reproduceerbaar zou kunnen maken.

Op commando, de structuur van elk microscopisch stukje van dit PCM-materiaal kan worden veranderd van glas naar kristal of van kristal terug naar glas (via het vloeibare tussenproduct) op de tijdschaal van een duizendste van een miljoenste van een seconde gewoon door een gecontroleerde hitte of licht puls, de eerste heeft nu de voorkeur. In de amorfe of ongeordende fase, het materiaal heeft een hoge elektrische weerstand, de "uit"-status; in de kristallijne of geordende fase, zijn weerstand wordt 1000 keer of meer verminderd om de "aan"-status te geven.

Deze elementen zijn gerangschikt in tweedimensionale lagen tussen activerende elektroden, die kan worden gestapeld om een ​​driedimensionale array te geven met een bijzonder hoge actieve sitedichtheid, waardoor het PCM-apparaat vele malen sneller kan functioneren dan conventioneel flash-geheugen, terwijl u minder stroom verbruikt.

"De amorfe fasen van dit soort materiaal kunnen worden beschouwd als "semi-metalen glazen", " legt Shuai Wei uit, die op dat moment postdoctoraal onderzoek deed in het laboratorium van professor Austen Angell van SMS Regents, als ontvanger van een Humboldt Foundation Fellowship.

"In tegenstelling tot de strategie op het onderzoeksgebied van "metallic glass", waar mensen decennialang inspanningen hebben geleverd om de kristallisatie te vertragen om het bulkglas te verkrijgen, hier willen we dat die halfmetalen glazen zo snel mogelijk kristalliseren in de vloeistof, maar om zo stabiel mogelijk te blijven in de glazen staat. Ik denk dat we nu een veelbelovend nieuw begrip hebben van hoe dit wordt bereikt in de PCM's die worden bestudeerd."

Een afwijking van de verwachte

Ruim een ​​eeuw geleden, Einstein schreef in zijn Ph.D. stelling dat de diffusie van deeltjes die Brownse beweging ondergaan, zou kunnen worden begrepen als de wrijvingskracht die de beweging van een deeltje vertraagt, die was die door Stokes was afgeleid voor een ronde bal die door een pot honing valt. De eenvoudige vergelijking:D (diffusiviteit) =kBT/6??r waarbij T de temperatuur is, ? is de viscositeit en r is de straal van de deeltjes, impliceert dat het product D?/T constant moet zijn als T verandert, en het verrassende is dat dit niet alleen waar lijkt te zijn voor Brownse beweging, maar ook voor eenvoudige moleculaire vloeistoffen waarvan bekend is dat de moleculaire beweging allesbehalve die van een bal is die door honing valt!

"We hebben geen goede verklaring waarom het zo goed werkt, zelfs in de zeer viskeuze onderkoelde toestand van moleculaire vloeistoffen tot het naderen van de glasovergangstemperatuur, maar we weten wel dat er een paar interessante vloeistoffen zijn waarin het zelfs boven het smeltpunt slecht faalt, ’ merkt Angell op.

"Een daarvan is vloeibaar tellurium, een belangrijk element van de PCM-materialen. Een andere is water dat beroemd is om zijn anomalieën, en een derde is germanium, een tweede van de drie elementen van het GST-type PCM. Nu voegen we een vierde toe, de GST-vloeistof zelf..!!! dankzij de neutronenverstrooiingsstudies voorgesteld en uitgevoerd door Shuai Wei en zijn Duitse collega's, Zach Evenson (Technische Universiteit van München, Duitsland) en Moritz Stolpe (Universiteit Saarland, Duitsland) op monsters bereid door Shuai met de hulp van Pierre Lucas (Universiteit van Arizona)."

Een ander gemeenschappelijk kenmerk van deze kleine groep vloeistoffen is het bestaan ​​van een maximum in vloeistofdichtheid dat bekend is in het geval van water. Een dichtheidsmaximum op de voet gevolgd, tijdens het koelen, door een overgang van metaal naar halfgeleider wordt ook gezien in de stabiele vloeibare toestand van arseentelluride, (As2Te3), die de neef is van de antimoontelluride (Sb2Te3) component van de PCM's die allemaal op de "Ovshinsky" lijn liggen die antimoontelluride (Sb2Te3) verbindt met germaniumtelluride (GeTe) in het driecomponentenfasediagram. Kan het zijn dat de onderliggende fysica van deze vloeistoffen een gemeenschappelijke basis heeft?

Het is de suggestie van Wei en coauteurs dat wanneer germanium, antimoon en tellurium worden gemengd in de verhouding 1:2:4, (of anderen langs de "magische" lijn van Ovshinsky) zowel de dichtheidsmaxima als de bijbehorende metaal-naar-niet-metaalovergangen worden onder het smeltpunt geduwd en, gelijktijdig, de overgang wordt veel scherper dan bij andere chalcogenidemengsels.

Vervolgens, zoals in het veel bestudeerde geval van onderkoeld water, de fluctuaties die gepaard gaan met de responsfunctie extrema zouden aanleiding moeten geven tot een extreem snelle kristallisatiekinetiek. In alle gevallen, de staat op hoge temperatuur (nu de metalen staat), is de dichter.

"Dit zou veel verklaren, " enthousiast van Angell "Boven de overgang is de vloeistof erg vloeibaar en gaat de kristallisatie extreem snel, terwijl onder de overgang de vloeistof snel verstijft en het amorfe, laaggeleidende toestand tot kamertemperatuur. In nanoscopische "bits", het blijft dan voor onbepaalde tijd stabiel totdat een computergeprogrammeerde warmtepuls de opdracht geeft om onmiddellijk te stijgen tot een temperatuur waarbij, op een tijdschaal van nanoseconden, het flits kristalliseert naar de geleidende toestand, de "aan" staat.

Lindsay Greer van de Universiteit van Cambridge heeft hetzelfde argument aangevoerd in termen van een "fragiele-naar-sterke" vloeistofovergang".

Een tweede iets grotere hittepuls kan het "bit" onmiddellijk boven het smeltpunt brengen en dan, zonder verdere warmte-inbreng en nauw contact met een koude ondergrond, het dooft met een snelheid die voldoende is om kristallisatie te voorkomen en wordt gevangen in de halfgeleidende toestand, de "uit" staat.

"De hoge resolutie van de neutronentijd van de vluchtspectrometer van de Technische Universiteit van München was nodig om de details van de atomaire bewegingen te zien. Neutronenverstrooiing op het Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching is de ideale methode om deze bewegingen zichtbaar te maken, ", zegt Zach Evenson.