Crystallization kinetics of phase change materials for novel data storage concepts

Klein, Michael; Wuttig, Matthias

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-30510

Crystallization kinetics of phase change materials for novel data storage concepts = Kristallisationskinetik von Phasenwechselmaterialien für neuartige Datenspeicherkonzepte

Klein, Michael (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Klein

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangXXXII, 138 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30510
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51433/files/Klein_Michael.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kinetik (Genormte SW) ; Kristallisation (Genormte SW) ; Kraftmikroskopie (Genormte SW) ; Amorpher Festkörper (Genormte SW) ; Festkörperphysik (Genormte SW) ; Kalorimeter (Genormte SW) ; Phase-Change-Technologie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; crystallization (frei) ; kinetics (frei) ; phase change (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Nach einer generellen Definition des Begriffes „Phasenwechselmaterialien“ und der Beschreibung ihrer definierenden Eigenschaften wird kurz die Entwicklungsgeschichte der Forschung an Phasenwechselmedien erörtert. Zu diesen Eigenschaften gehört zum Beispiel die Möglichkeit mit hoher Geschwindigkeit zwischen zwei, bei Raumtemperatur stabilen Phasen zu wechseln und der Kontrast in optischen und elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden ebenfalls schon realisierte und noch mögliche Anwendungen aufgeführt. Diese Anwendungen waren eine starke treibende Kraft für die Forschung an Phasenwechselmaterialien. Bisher wurden Phasenwechselmaterialien ausschließlich in wiederbeschreibbaren optischen Medien eingesetzt. Allerdings steht die Realisierung von elektronischen Datenspeichern kurz bevor. Für beide Arten der Anwendung ist die Kristallisationskinetik von fundamentaler Wichtigkeit. In jeder Art der Anwendung wird der Kontrast zwischen amorpher und kristalliner Phase ausgenutzt. Die Geschwindigkeit der realisierten Bauteile wird durch die Kristallisationsgeschwindigkeit limitiert, da dies der langsamste der Phasenwechselprozesse ist. In vielen experimentellen Techniken können der Nukleations- und der Wachstumsteil der Kristallisation nicht getrennt werden. Diese Information ist jedoch für viele Anwendungen extrem wichtig, da durch eventuell vorhandene kristalline Ränder, der Nukleationsteil nur eine untergeordnete Rolle spielt. Kristallisation kann im Allgemeinen mit dem klassischen thermodynamischen Konzept für Phasenumwandlungen von Gibbs beschrieben werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Modelle für die Beschreibung der Kristallisationskinetik vorgestellt, das Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov Modell und das Kissinger Modell. Die Ergebnisse beider Modellvorstellungen werden verbunden, um so die Möglichkeit zu erhalten die experimentellen Resultate, die durch beide Methoden erlangt werden, später vergleichen zu können. Beginnend mit kalorimetrischen Messungen und temperaturabhängigen Widerstandsmessungen, werden die Kristallisationsprozesse einer großen Auswahl von Materialen untersucht. Mit der Kombination des sehr präzisen Kalorimeterofens und abbildenden Techniken wie Rasterkraftmikroskopie und optischer Mikroskopie können einzelne Kristalle beobachtet werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit Nukleation und Kristallwachstum getrennt aufzulösen. Innerhalb dieser Arbeit wird die Datenbasis der Kristallisationskinetik von Germanium-Antimon-Tellur-Verbindungen erheblich erweitert. Daher wird es möglich stöchiometrische Tendenzen für die Kristallisationstemperatur, die Aktivierungsbarrieren für Kristallwachstum und die stationäre Nukleationsrate, sowie für die Kissinger Aktivierungsbarriere zu bestimmen. Dies kann ausgenutzt werden, um Phasenwechselmaterialien nach dem Bedarf von Anwendungen maßzuschneidern. Letztendlich wird sich diese Arbeit auf den Einfluss der oxidierten Oberfläche der gemessenen Proben konzentrieren. Es wird gezeigt, dass für einige Materialien, die Oberflächenoxidation zur Formierung einer früher-kristallisierenden Schicht nahe der Probenoberfläche führen kann. Anschließend wird die Auswirkung von Schutzschichten, um eben diesen Effekt zu verhindern, geschildert. Der Effekt eines in mehreren Stufen ablaufenden Übergangs in den temperaturabhängigen Widerstandsmessungen, wird mit Hilfe eines einfachen Modells, basierend auf einer Parallelschaltung, erklärt. Messungen der Kristallisationskinetik von Proben, welche mit einer Schutzschicht versehen wurden, decken auf, dass diese Schutzschicht einen großen Einfluss auf die Kristallisationsgeschwindigkeit und die Nukleationsrate hat. Dies eröffnet viele neue Aussichten für interessante Forschung.

After a general definition of phase change materials and a description of their defining properties, such as the possibility to switch between two room temperature stable phases at high speed and a contrast in optical and electrical properties, the history of phase change research is shortly outlined. In this context also already realized and possible technological applications are presented. These have been a major driving force of phase change research. Until now, phase change materials have been employed in rewritable optical media, but the realization of commercial electronical memories is within reach.For both sorts of applications, the crystallization kinetics is of fundamental importance. In any kind of application the contrast of the material's amorphous and crystalline phase is exploited. The device speed is governed by the speed of crystallization, as this is the slowest of the switching processes. In many experimental techniques, the nucleation and growth part of the crystallization process cannot be separated. This information is, however, crucial for many applications, as due to the presence of crystalline surroundings, the nucleation part of crystallization may only play an inferior role. Crystallization can be described with the classical thermodynamical concept for phase transitions introduced by Gibbs. Two models to describe the crystallization kinetics are presented in this study, the Johnson-Mehl-Avrami-Kolomogorov model and the Kissinger model. The results of both models are then connected, in order to be able to compare the experimental results obtained by both of them later on. Starting with calorimetry measurements and temperature dependent resistivity measurements, the crystallization process of a large variety of materials is reviewed. With a combination of the precise furnace of the calorimeter and imaging techniques like atomic force microscopy and optical microscopy, single crystals are experimentally observed. Thus, nucleation and crystal growth are unraveled. Within this study the data base on crystallization kinetics of germanium-antimony-tellurium alloys is vastly enhanced. Thus, it is possible to derive stoichiometrical trends for the crystallization temperature, the activation barriers for growth and steady state nucleation, as well as the Kissinger activation barrier. This can be used to tailor phase change materials according to the needs of applications. Finally, this work moves its focus to the effect of the generally oxidized surface of the measured samples. It will be shown that for some materials the surface oxidation leads to an earlier crystallization of a layer close to the material's surface. Afterwards, the influence of capping layers preventing the surface oxidation will be shown. The effect of a step-like transition in temperature dependent resistivity measurements is explained with a simple model based on a parallel circuit. The measurements on the crystallization kinetics under a capping layer reveal that there is a strong effect of the capping layer in regards of the crystal growth velocity and the nucleation rate. Hence, many new research opportunities open up.

Fulltext:
PDF