GST
Eine von verschiedenen Verbindungen aus Germanium, Antimon und Tellur, die als Phasenwechselmaterial verwendet werden, einschließlich GeSbTe.
GST: die reversible Speicherlegierung für thermische Energiespeicherung
GST steht für Germanium-Antimon-Tellur, eine Familie von Chalkogenid-Legierungen, die beim Erhitzen und Abkühlen zwischen kristallinen und amorphen Zuständen wechseln. Die häufigste Variante ist Ge2Sb2Te5, eine 2:2:5-Zusammensetzung nach Atomzahl. Dieser Phasenwechsel erfolgt scharf bei einer bestimmten Schmelztemperatur, typischerweise zwischen 600 und 900 Kelvin, abhängig von exakter Dotierung und Stöchiometrie. Das Material setzt dabei oder nimmt erhebliche latente Wärme während des Übergangs auf bzw. ab.
Die Zweizustands-Natur von GST macht es als Phasenwechselmaterial, oder PCM, nutzbar. Im geschmolzenen Zustand ist es stark reflektierend für Infrarotlicht; im festen Zustand wird es nahezu undurchsichtig. Dieser optische Eigenschaftswechsel ist durch Tausende von Zyklen reversibel, weshalb GST frühe Anwendung in wiederbeschreibbaren optischen Medien wie DVD-RW und Blu-ray-Discs fand. Der amorphe Zustand ist metastabil und bleibt bei Raumtemperatur unbegrenzt bestehen, bis er wieder erhitzt wird.
Thermische Energiespeicherung und darüber hinaus
In modernen Energiesystemen wird GST für latente thermische Speicherung untersucht, besonders in Konzentrator-Solarkraftwerken und Gebäudeklimaanlage. Da es Wärme über ein enges Temperaturfenster aufnimmt und abgibt, vermeidet es die breite Temperaturschwankung sensiblen Wärmespeichers (Wasser oder Salz erwärmen). Eine Prototypanlage kann etwa 1 Megajoule pro Kilogramm speichern, mehrfach dichter als Wasser. Herausforderungen sind Korrosion beim Kontakt mit Behältermaterialien, Unterkühlung, die zuverlässige Kristallisation verhindert, und die hohen Kosten für hochreines Germanium.
Das Material verschlechtert sich bei wiederholtem Wärmewechsel, falls Sauerstoff- oder Feuchtigkeitskontamination auftritt. Hermitische Versiegelung ist deshalb obligatorisch. Keimbildner und Legierungselemente wie Stickstoff oder Kohlenstoff werden oft zugesetzt, um Unterkühlung zu unterdrücken und Zykluslebensdauer zu verbessern. Die Leistung variiert stark mit der Zusammensetzung: eine Verschiebung um 1 Atomprozent Tellur kann die Übergangstemperatur um 50 Kelvin verschieben.
GST gehört zur breiteren Klasse tetraedrischer Halbleiter, die in Speicher- und Schaltelementen verwendet werden. Seine Fähigkeit, optische und elektrische Eigenschaften zu ändern, macht es zum Kandidaten für neuromorphe Rechensysteme und programmierbare Photonik, obwohl praktische Systeme derzeit überwiegend in der Forschung bleiben. Der Begriff GST wird manchmal locker für verwandte ternäre und quaternäre Legierungen verwendet, aber korrekt bezeichnet er nur das dreikomponentige Germanium-Antimon-Tellur-System.