В основе большинства современных перезаписываемых оптических дисков (CD, DVD, Blue-Ray) лежит материал под названием GST – сплав германия (Ge), сурьмы (Sb) и теллура (Te). Принцип действия таких устройств энергонезависимой оптической памяти основан на кристаллизации аморфной фазы под действием лазерного излучения.

Группа российских ученых, куда вошли исследователи из РХТУ имени Д. И. Менделеева, изучила, как на характер этого процесса влияют параметры лазерного излучения, а также материал подложек. Установленные закономерности могут стать полезными не только для оптических дисков нового поколения, но и для разработки устройств энергонезависимой памяти на основе фазовых переходов. В перспективе такая фазовая память характеризуется очень высокой скоростью записи и может перезаписываться десятки тысяч раз.

Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.

В основе большинства современных перезаписываемых оптических дисков (CD, DVD, Blue-Ray) лежит материал под названием GST – сплав германия (Ge), сурьмы (Sb) и теллура (Te), Ge₂Sb₂Te₅. GST может находиться в кристаллическом и аморфном состоянии и «переключить» их сравнительно легко: если на аморфный GST точечно воздействовать лазерным излучением, так чтобы его поверхность разогрелась до определенной температуры, то при остывании он кристаллизуется.

При этом коэффициенты оптического отражения этих состояний сильно отличаются, и именно на этом основан общий принцип записи в GST, однако в подробностях процесс кристаллизации GST под действием фемтосекундного лазерного излучения (особенно в тонких поверхностных слоях пленок) еще не изучен.

Морфология поверхности GST пленки после воздействия серией лазерных импульсов. Изображение получено на атомно-силовом микроскопе / ©Journal of Alloys and Compounds/Elsevier

«Разные научные группы работают на разном оборудовании и поэтому у них отличаются параметры лазерного пучка – длина волны, длительность импульса, частота повторения импульса, размер лазерного пятна, энергия импульса, а это неизбежно влияет на свойства GST материалов», – рассказывает один из авторов работы, сотрудник РХТУ, Михаил Смаев. – К данной теме мы шли постепенно. После получения установки, позволяющей проводить фемтосекундную модификацию, мы познакомились с людьми, умеющими напылять тонкие пленки GST, и потом начали с ними сотрудничать в плане изучения режимов воздействия ультракоротких лазерных импульсов на эти материалы».

Ученые из ИОНХ РАН, МИЭТ, РГРТУ, ФИАН и РХТУ имени Д. И. Менделеева работали с GST пленками трех разных толщин (30, 80 и 130 нм), нанесенными на подложки двух типов: диэлектрическую и проводящую. Пленки облучались лазерными импульсами с длительностью 185 фемтосекунд но с разной энергией и частотой, а потом с помощью атомной-силовой микроскопии, оптической микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния изучали структуру пленок.

Оказалось, что при умеренном значении плотности энергии лазерных импульсов (от 100 до 200 нДж) кристаллическая фаза формируется только в центре лазерного пучка, что приводит к образованию зоны мелкозернистого поликристаллического материала. А при более высоких плотностях энергии материал пленки начинает плавиться по всей области облучения и после кристаллизуется уже преимущественно на ее краях в виде крупных кристаллических зерен. Кроме того, ученые показали, что толщина пленки по-разному влияет на характер кристаллизации в зависимости от подложки, на которую нанесен GST.

Установленные закономерности могут стать полезными не только для оптических дисков нового поколения, но и для разработки устройств энергонезависимой памяти на основе фазовых переходов. В перспективе такая фазовая память характеризуется очень высокой скоростью записи и может перезаписываться десятки тысяч раз, однако на данный момент ее применение ограничено из-за множества нерешенных фундаментальных вопросов, которые ученые планируют решить в дальнейших исследованиях.