Phasenwechselmedien: Einfluss der chemischen Substitution auf die Eigenschaften von Speichermedien und Thermoelektrika

Buller, Saskia

VolltextDissertation2013Public AccessUrhG

Phasenwechselmedien : Einfluss der chemischen Substitution auf die Eigenschaften von Speichermedien und Thermoelektrika

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Phasenwechselmaterialien können durch thermische Energie, die zum Beispiel durch Laser- oder Strompulse erzeugt werden kann, zwischen verschiedenen Phasen hin und her geschaltet werden. Bei den hier untersuchten Germaniumantimontelluriden kann das Schalten zwischen einer amorphen und einer metastabilen kristallinen Phase statt ﬁnden. Die beiden Zustände unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften deutlich voneinander und können so aufgrund des unterschiedlichen Reﬂektionsvermögens als optische Datenspeicher (CD, DVD) und aufgrund der unterschiedlichen Widerstandseigenschaften als elektrische Datenspeicher (PC-RAM) eingesetzt werden. Obwohl diese Datenspeicher eine breite kommerzielle Anwendung ﬁnden, sind der Schaltprozess auf atomarer Ebene und der enorme optische Reﬂektivitätsunterschied nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurden etablierte Verbindungen, die als Speichermedien Einsatz ﬁnden, durch chemische Substitution modiﬁziert und der Einﬂuss auf die Eigenschaften untersucht. Zahlreiche Analysemethoden haben dazu beigetragen, die Zusammenhänge zwischen strukturellen Eigenschaften und dem Einﬂuss der chemischen Zusammensetzung besser zu verstehen. Messungen der optischen und elektrischen Eigenschaften belegen, dass durch die Substitution ein signiﬁkanter Einﬂuss erreicht werden kann. Dieser hängt empﬁndlich von der Art und dem Anteil der Substitution ab. Die unterschiedlichen Eigenschaften wie z.B. Übergangstemperaturen vom amorphen in den metastabilen Zustand, elektrische und optische Eigenschaften wurden dabei durch gleiche Substitutionsparameter unterschiedlich beeinﬂusst. Messungen der thermoelektrischen Eigenschaften unterstützen die Idee, dass Phasenwechselmaterialien aussichtsreiche Kandidaten als Thermoelektrika darstellen. Ein Einﬂuss der Substitution auf die thermoelektrischen Eigenschaften konnte nachgewiesen werden. Thermoelektrika, die der gleichen Verbindungsklasse der Phasenwechselmedien angehören, wurden in dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Filme mit Abfolgen von Sb/Bi und Te wurden synthetisiert und durch anschließendes Tempern Sb2 Te3 und Bi2 Te3 Filme generiert. Mehrschichtsysteme aus Sb2 Te3 und Bi2 Te3 Abfolgen wurden mit dem gleichen Vorgehen synthetisiert. Dabei wurden die Schichtdicken und deren Zusammensetzungen bei der Synthese leicht variiert, um die Einﬂüsse auf die thermoelektrischen Größen wie Ladungsträgerkonzentration, Ladungsträgermobilität, Seebeckkoeﬃzienten und die elektrische Leitfähigkeit zu untersuchen. Bei Thermoelektrika wird eine große elektrische und eine geringe thermische Leitfähigkeit angestrebt, um eine möglichst große Eﬃzienz bzw. einen hohen Wirkungsgrad des Materials zu erreichen. Mit zunehmender Vorzugsorientierung der Proben, die durch die Schichtdicken beeinﬂusst wird und einem bestimmten Schwellenwert der Te-Konzentration konnte eine Verbesserung der thermoelektischen Eigenschaften erhalten werden.

Phase-change materials can transform between diﬀerent phases via thermal process. This can be fulﬁlled with laser or electrical pulses. In this work compounds of germanium-antimony-tellurides were synthesized which possess an amorphous and a metastable crystalline phase. Their diﬀerent phases show diﬀerent physical properties. Due to the high optical contrast between the two phases, they are used for commercial application in optical data storage media like CDs or DVDs. They are also used in electrical applications like PC-RAM due to the electrical contrast between the amorphous and the crystalline phases. Although their applications have been used for years, the mechanism is not clearly understood. In this work chemical substitutions were implemented and analyzed. Various analytical methods were applied to get a better understanding of the structural and chemical coherence. Substitution showed a tremendous inﬂuence on the optical and electrical properties. The degree and kind of substitution had diﬀerent inﬂuence on the optical and electrical properties. Additional thermoelectric measurements were carried out on these materials. They showed that phase-change materials which are used for storage application have also applicable potential as thermoelectrics. The inﬂuence of substitution on the thermoelectric properties could also be determined. Thermoelectric materials belonging to the same type of compound like the materials used for storage media were synthesized and analyzed. Layers of Sb2 Te3 and Bi2 Te3 were prepared via so-called nanoalloying approach. Thin layers of the required single elements were deposited on the substrates in designated order. Subsequent heating of the samples lead to the formation of Sb2 Te3 and Bi2 Te3 . Also multilayer ﬁlms of Sb2 Te3 and Bi2 Te3 were synthesized by the same nanoalloying technique. Film thickness and stochiometry were varied to analyze their inﬂuences on the thermoelectric properties. Charge carrier concentration, charge carrier mobility, Seebeckcoeﬃcient and electrical conductivity, which are the characteristic parameters for thermoelectrics, were determined for information about the material and its thermoelectric effciency. A high electrical and a low thermal conductivity are desired to make a powerful thermoelectric material. The crystal growth inside the ﬁlms was inﬂuenced by the layer thickness. With increasing preferred orientation of the crystals and the arising amount of Te-concentration an improvement of the thermoelectric parameters could be determined.