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Optische Speichermedien: Wiederverwendbar

Manche Dinge funktionieren einfach. Wenn sie sich dann noch gut verkaufen lassen, ist die Frage nach dem Warum oft nebensächlich. Erstaunlich, dass dies anscheinend auch für technologisch hoch ausgereifte Produkte wie optische Speichermedien gilt.
Wer heute einen gemütlichen Filme-Abend mit Freunden plant, greift – anders als noch vor wenigen Jahren – kaum mehr zu Video oder CD. Zu schlecht ist die Qualität der Bilder und des Tons. Heute schwören die meisten auf die DVD (digital versatile disc), bei der die Darstellung exzellent ist und auf der sich sogar noch Extras wie Kommentare oder Untertitel finden lassen.

Aber wie kann eine DVD solche riesigen Informationsmengen aufnehmen? Phase-Change-Technologie heißt das Verfahren, bei dem die kristalline Beschichtung der Speicherplatte punktweise mit einem Laser beschrieben wird. In den bestrahlten Bereichen – die sehr dicht neben- und sogar übereinander liegen können – wird der Kristall warm und dadurch in eine amorphe Struktur umgewandelt. Wenn nun ein anderer Laser die DVD beleuchtet, reflektieren diese amorphen Felder das Licht schlechter als der kristalline Hintergrund. Für den Computer, der dem zurückgeworfenen Licht die auf der DVD gespeicherten Informationen entnimmt, bedeutet jeder kristalline Fleck eine digitale Eins und jeder amorphe Fleck eine digitale Null.

Manche DVD-Arten wie die DVD-RAM lassen sich außerdem immer wieder überschreiben – und dies bis zu 10 Millionen Mal. Die alte Information in Form der amorphen Felder wird dazu einfach durch einen dritten Laser gelöscht, der die ganze Oberfläche wieder kristallisieren lässt. Vor dem Hintergrund der Alltäglichkeit dieser Technik ist es bemerkenswert, dass die genaue Struktur der kristallinen und amorphen Phasen der DVD-RAM bis heute – etwa zehn Jahre nach ihrer Entwicklung – nicht genau untersucht wurde.

Bisher war man der Meinung, dass das Beschichtungsmaterial Ge2Sb2Te5 (GST) in einer Steinsalzstruktur vorliegt, in der die Tellur-Atome an den Ecken und auf den Flächen eines Würfels angeordnet sind. Von der Struktur der amorphen Phase hatte man kaum eine Vorstellung. Wissenschaftler um Alexander Kolobov vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Tsukuba nutzten nun zwei verschiedene röntgenspektroskopische Methoden und Computersimulationen, um die Vorgänge beim Beschreiben der optischen Speicherplatten aufzuklären.

Dabei stellte sich heraus, dass die Atome in dem Material in Blöcken angeordnet sind. Diese Blöcke schichten sich in der kristallinen Phase tatsächlich zu einer Steinsalzstruktur auf, die allerdings etwas verzerrt ist. Erstaunlicherweise schmilzt diese Struktur nicht, wenn sie mit dem Laser bestrahlt wird – die amorphe Phase des GST muss auf eine andere Weise entstehen. Und tatsächlich: Das energiereiche Licht löst nur die Bindungen zwischen den einzelnen Blöcken. Dadurch schrumpfen diese etwas zusammen, behalten aber eine innere Ordnung.

Zusätzlich dazu wechseln die Germanium-Atome in den Blöcken auf eine Weise ihre Position, die dem Umklappen eines Regenschirms ähnelt: Der Griff und der Rand des Schirmes wird aus vier Tellur-Atomen gebildet, und das Germanium sitzt auf der Schirmspitze. Im Kristall ist dieser "Schirm" richtig aufgespannt, mit dem Germanium als höchstem Punkt – durch die Anregung des Lasers klappt er aber wie durch einen heftigen Windstoß um, so dass das Germanium nun von den Tellur-Atomen umgeben ist.

Da die Ordnung der Atome im amorphen Zustand nicht ganz aufgehoben ist, können sich die einzelnen Blöcke leicht wieder zum Kristall verbinden. Auch der "Germanium-Regenschirm" klappt schnell wieder in seine ursprüngliche Position. Damit erklären die Wissenschaftler auch, warum die DVD-RAM so schnell und dauerhaft beschrieben werden kann. Und auch in anderen Materialien wie AgInSbTe, die ebenfalls in optischen Speichermedien eingesetzt werden, sollen ähnliche Mechanismen eine Rolle spielen.
15.09.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 15.09.2004

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