Dielectric properties of amorphous phase-change materials

Chen, Chao; Lobo, Ricardo P. S. M.; Wuttig, Matthias

doi:37126

Dielectric properties of amorphous phase-change materials

Chen, Chao^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master-Physikerin Chao Chen

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (x, 174 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Lobo, Ricardo P. S. M. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223963
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/723103/files/723103.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/723103/files/723103.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dielectric constant ; permittivity ; phase-change materials ; impedance spectroscopy ; FT-IR, infrared active phonons ; born effective charge ; AC conductivity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Wechselstromleitfähigkeit und die dielektrischen Eigenschaften von fünf amorphen Phasenänderungsmaterialien (PCMs) und drei gewöhnlichen Chalkogeniden wurde bestimmt durch eine Kombination aus elektrischer Wechselstrommessung (0.5 Hz – 186.2 Hz), Impedanzspektroskopie (9 kHz – 3 GHz) und optischer Spektroskopie (20 cm-1– 12000 cm-1, dh. 0.6 THz – 360 THz). Der Messbereich der drei Techniken deckt vom DC-Limit bis zum ersten Interband-Übergang nahezu ab. Zusätzlich wurden die Temperaturabhängigkeit der niederfrequenten Dielektrizitätskonstanten und die Wechselstromleitfähigkeit von amorphen PCMs auch durch elektrische AC-Messung im Bereich von 4 K – 170 K und Impedanzspektroskopie im Bereich von 220 K – 350 K untersucht. Darüber hinaus wurde die Abhängigkeit dieser Eigenschaften vom Alterungseffekt amorpher GeTe-Dünnschichten, welche für eine Stunde mit steigenden Temperaturen (dh 333 K, 353 K, 373 K, 393 K, 403 K) geglüht wurden, durch elektrische AC-Messung untersucht. Diese Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf amorphe PCMs. Erstens wurden Messungen der Wechselstromleitfähigkeiten von Materialien mit amorpher Phasen extensiv verwendet, um den Leitungsprozess in diesen Materialien zu verstehen. Bei den Impedanzspektroskopiemessungen ist keine Frequenzabhängigkeit der AC-Leitfähigkeiten erkennbar, was dem Ladungstransport über ausgedehnte Zustände entspricht. Zweitens sind die Permittivitäten von amorphen PCMs unter dem Impedanzmessfrequenzbereich frequenzunabhängig. Folglich gibt es in diesem Bereich keine dielektrischen Relaxationen. Drittens übersteigen die statischen Dielektrizitätskonstanten von amorphen PCMs signifikant ihre optischen Dielektrizitätskonstanten. Diese Beobachtung wurde durch Transmissionsmessungen im fernen Infrarot bestätigt, welche optische Phononen zeigten. Besondere Aufmerksamkeit wurde auch der Korrelation zwischen der Dielektrizitätskonstante und der effektiven Ladung der amorphen PCMs gewidmet. Aus der Intensität dieser Phononenmodi wurde eine große effektive Born-Ladung abgeleitet. Es ist jedoch bekannt, dass kristalline PCMs wie GeTe sogar signifikant größere effektive Born-Ladungen besitzen. Die Kristallisation wird daher von einer starken Zunahme der effektiven Born-Ladung begleitet, die für eine signifikante Änderung der Bindung bei der Kristallisation charakteristisch ist. Interessanterweise wurde ein deutlicher Stöchiometrie Trend in der statischen Dielektrizitätskonstante entlang der pseudo-binären Linie zwischen GeTe und Sb2Te3 identifiziert. Desweiteren wurden die dielektrischen Eigenschaften der PCMs mit den Nicht-PCMs verglichen. Die optischen Dielektrizitätskonstanten von amorphen PCMs steigen nach der Kristallisation stark an, während die optischen Dielektrizitätskonstanten des amorphen und kristallinen Chalkogenids AgInTe2 keinen Unterschied aufwiesen. Dies veranschaulicht, dass die PCMs eine Änderung von kovalenten Bindungen zu resonanten Bindungen bei der Kristallisation erfahren, aber die amorphen und kristallinen Phasen gewöhnlicher Chalcogenidhalbleiter werden beide von nahezu den gleichen kovalenten Bindungen bestimmt. Zusätzlich wurden die statischen Dielektrizitätskonstanten, die für PCMs entlang der pseudo-binären Linie zwischen GeTe und Sb2Te3, mit denen für gewöhnliche kovalent gebundene Chalcogenidhalbleiter verglichen. Die statischen Dielektrizitätskonstanten von sowohl PCMs als auch Nicht-PCMs steigen signifikant von amorph zu kristallin an, was darauf hindeutet, dass der Beitrag von infrarotaktiven Phononen in den kristallinen Zuständen sowohl von PCMs als auch von Nicht-PCMs bemerkenswert verstärkt ist. Darüber hinaus zeigt die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten von amorphen Chalkogeniden die Beitragsverstärkung von infrarotaktiven Phononen mit der Temperatur. Der aus den experimentellen Ergebnissen abgeleitete Alterungseffekt auf die dielektrischen Eigenschaften von amorphen GeTe-Dünnschichten stimmt schließlich gut mit den Ergebnissen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) überein, die gleichzeitig die Bindungsmechanismen und atomaren Strukturen in der repäsentativen amorphen Phase zeigen.

The AC conductivities and dielectric properties of five amorphous phase-change materials (PCMs) and three ordinary chalcogenides have been determined by employing a combination of the AC electrical measurement (0.5 Hz – 186.2 Hz), the impedance spectroscopy (9 kHz – 3 GHz) and the optical spectroscopy (20 cm-1 – 12000 cm-1, i.e., 0.6 THz – 360 THz). Those measurements almost range from the DC limit to the first interband transition. In addition, the temperature dependence of the low-frequency dielectric permittivity and the AC conductivities of amorphous PCMs were also investigated by the AC electrical measurement in the range of 4 K – 170 K and by the impedance spectroscopy in the range of 220 K – 350 K. Moreover, the aging effect on these properties of amorphous GeTe thin films annealed for one hour at successively higher temperatures, i.e. 333 K, 353 K, 373 K, 393 K, 403 K was studied by the AC electrical measurement. This work mainly focuses on amorphous PCMs. Firstly, measurements of AC conductivities of amorphous PCMs have been extensively used to understand the conduction process in these materials. No frequency dependence of AC conductivities is discernible in the impedance spectroscopy measurements, which is in line with charge transport via extended states. Secondly, the permittivities of amorphous PCMs are frequency independent among the impedance measurement frequency range. Consequently, there are no dielectric relaxations in this range. Thirdly, the static dielectric constants of amorphous PCMs significantly exceed their optical dielectric constants. This observation is corroborated by transmittance measurements in the far-infrared, which show optical phonons. Particular attention is also paid to the correlation between the dielectric constant and Born effective charge of the amorphous phase-change materials. From the intensity of these phonon modes, a large Born effective charge is derived. Nevertheless, it is known that crystalline PCMs such as GeTe possess even significantly larger Born effective charges. Crystallization is hence accompanied by a huge increase in the Born effective charge, which reveals a significant change of bonding upon crystallization. Interestingly, a clear stoichiometry trend in the static dielectric constant along the pseudo-binary line between GeTe and Sb2Te3 has been identified. On the other hand, there is a comparison of dielectric properties between the PCMs and non-PCMs. The optical dielectric constants of amorphous PCMs increase a lot after crystallization, while there is no difference between the optical dielectric constants of the amorphous and crystalline chalcogenide AgInTe2. This illustrates that the PCMs undergo a change from covalent bonding to resonant bonding on crystallization, but the amorphous and crystalline phases of ordinary chalcogenides are both governed by virtually the same covalent bonds. In addition, the static dielectric constants obtained for PCMs on the pseudo-binary line between GeTe and Sb2Te3 are compared with those obtained for ordinary covalently-bonded chalcogenide semiconductors. The static dielectric constants of both PCMs and non-PCMs significantly enhance from amorphous to crystalline, which hints that the contribution of infrared active phonons is remarkably strengthened in the crystalline states of both PCMs and non-phase-change materials. Moreover, the temperature dependence of dielectric constants of amorphous chalcogenides shows the contribution enhancement of infrared active phonons with temperature. Lastly, the aging effect on the dielectric property of amorphous GeTe thin films derived from the experimental results is in good agreement with the results of density functional theory (DFT) calculations, which at the same time reveal the bonding mechanisms and atomic structures in the representative amorphous phase.

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