12.11.2025
Smartphone-Speicher: alles eine Frage der Chemie
Forschern von SAMSUNG ist es gemeinsam mit Professor Richard Dronskowski vom Lehrstuhl für Festkörper- und Quantenchemie der RWTH Aachen gelungen, die chemischen Reaktionen zu entschlüsseln, die der Datenspeicherung in gängigen elektronischen Geräten zugrunde liegen.
Diese Erkenntnisse könnten den Weg für die Entwicklung neuer Speichermaterialien ebnen. Die Arbeit der koreanischen Ingenieure sowie des Aachener Wissenschaftlers wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Der sogenannte Flash-Speicher ist ein zentraler Bestandteil von Smartphones, Laptops und Speicherkarten. Dieses Medium kann elektrisch gelöscht und wieder beschrieben werden und behält auch bei ausgeschaltetem Gerät alle gespeicherten Daten. Damit eignet es sich ideal für die langfristige Speicherung digitaler Inhalte wie Fotos, Videos oder Texte.
Obwohl bereits bekannt ist, dass in Flash-Speichern ein keramisches Material - amorphes Siliziumnitrid (Si3N4) - eine zentrale Rolle spielt, blieb der genaue chemische Mechanismus auf atomarer Ebene bislang unverstanden. Bisher konnte man neue Speichermaterialien nur empirisch, also durch Ausprobieren, identifizieren. Ein gezieltes Design auf Grundlage eines vollständigen Verständnisses der chemischen Vorgänge war nicht möglich.
Um die zugrunde liegenden Reaktionen besser zu verstehen, simulierte das Forschungsteam das Speichermaterial quantenmechanisch mit atomarer Auflösung. Anschließend analysierten die Forscher die Ergebnisse mithilfe des Quantenchemieprogramms LOBSTER, das von Professor Richard Dronskowski und seiner Arbeitsgruppe an der RWTH entwickelt wurde.
Die Analyse zeigte: Während jedes Speicher- und Löschvorgangs finden tatsächlich chemische Reaktionen statt. Wird elektrische Ladung in Form von Elektronen eingebracht, bricht eine Silizium-Stickstoff-Bindung auf, während gleichzeitig eine neue Silizium-Silizium-Bindung entsteht. Diese neue atomare Struktur ist sehr stabil - sie erklärt die bekannte Stabilität von Flash-Speichern. Wird die elektrische Ladung wieder entfernt, kehrt sich der Prozess um: Die Silizium-Silizium-Bindung löst sich, und es bildet sich erneut eine Silizium-Stickstoff-Bindung. Dieser reversible Mechanismus ermöglicht die Wiederbeschreibbarkeit von Flash-Speichern.
Die quantenchemische Untersuchung erlaubte es dem Team zudem, die räumliche Anordnung von Silizium- und Stickstoffatomen sowie deren Wechselwirkungen präzise zu bestimmen. Da Elektronen stets paarweise umverteilt werden, können ganze chemische Bindungen gezielt gebrochen und neu geknüpft werden. Das erklärt, warum Flash-Speicher Informationen so zuverlässig speichern und sich ideal für Smartphones und Solid-State-Drives (SSDs) eignen.
Professor Dronskowski zeigt sich begeistert von den Ergebnissen und deren Bedeutung für die Zukunft: "Es ist faszinierend, dass das physikalische Verhalten des für den Flash-Speicher verantwortlichen Materials direkt von der Veränderung chemischer Bindungen abhängt. Und da wir das Material nun wirklich verstehen, sind keine weiteren Berechnungen nötig, um es chemisch zu modifizieren - die theoretische Grundlage dafür ist nun gelegt."
Quelle: RWTH Aachen