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Structural analysis of phase-change materials using X-ray absorption measurements = Strukturanalyse von Phasenwechselmaterialien mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Julia Maria van Eijk, geb. Steiner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXV, 141 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in engl. und dt. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35953
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64226/files/3595.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut (131110)
  2. Fachgruppe Physik (130000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
EXAFS (Genormte SW) ; Phasenwechselspeicher (Genormte SW) ; Strukturanalyse (Genormte SW) ; Tellurlegierung (Genormte SW) ; Antimonlegierung (Genormte SW) ; Germaniumlegierung (Genormte SW) ; Germaniumtellurid (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Phasenwechselmaterialien (frei) ; Reverse Monte Carlo Simulation (frei) ; phase-change materials (frei) ; Reverse Monte Carlo simulations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 61.43.Bn * 61.43.Dq * 42.79.Vb * 61.66.Dk * 61.05.cj

Kurzfassung
Als Phasenwechselmaterialien wird eine Gruppe von Materialien bezeichnet, die sich durch ihre ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften zur optischen und elektronischen Datenspeicherung eignet. Innerhalb kürzester Zeit können Phasenwechselmaterialien reversibel zwischen einer ungeordneten, amorphen und einer geordneten, kristallinen Phase geschaltet werden, wobei sowohl die Kristallisation als auch die Amorphisierung durch Laserpulse oder elektrische Pulse induziert werden kann. Da zwischen beiden Phasen ein hoher optischer und/oder elektrischer Kontrast besteht, kann mit Hilfe von Laserstrahlung oder elektrischen Pulsen auch der Zustand des Materials zuverlässig bestimmt werden. Die Kenntnis der Strukturen der amorphen und kristallinen Phase, die für die Datenspeicherung relevant sind, ist wichtig um den Ursprung des hohen Kontrasts zu verstehen und einen Zusammenhang zwischen der Stöchiometrie und den physikalischen Eigenschaften herstellen zu können. Daher wird in dieser Arbeit die Struktur verschiedener Phasenwechselmaterialien mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen (EXAFS-Messungen) untersucht. Nach einer kurzen Einführung in Phasenwechselmaterialien wird die Theorie von Röntgenabsorptionsmessungen diskutiert und die Methoden, mit denen die EXAFS-Spektren ausgewertet werden, werden erläutert. Im Anschluss werden die experimentellen Anlagen vorgestellt, die zur Probenpräparation und zur Probencharakterisierung verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Struktur der kristallinen und amorphen Phase von drei Legierungen, GeTe, Ge8Sb2Te11 und Ge1Sb2Te4, studiert. Diese Materialien liegen entlang der pseuodobinären Linie, die von GeTe bis Sb2Te3 reicht. Nachdem die Auswertung der EXAFS-Spektren und die Ergebnisse detailliert beschrieben sind, werden abschließend die Strukturen dieser Materialien verglichen und diskutiert. Charakteristisch für Phasenwechselmaterialien ist die unterschiedliche lokale Ordnung in der amorphen und der kristallinen Phase, die bereits in den EXAFS-Spektren sichtbar ist. In der fouriertransformierten Darstellung der EXAFS-Spektren im Realraum unterscheiden sich nicht nur die Amplituden der Peaks in beiden Phasen sondern auch die Peakpositionen. Die Auswertung der EXAFS-Spektren zeigt, dass in den untersuchten Materialien die Bindungslängen in der amorphen Phase kürzer sind als in der kristallinen Phase. Bei der Untersuchung der Kristallstruktur von Phasenwechselmaterialien stellt sich heraus, dass die Temperatur einen ungewöhnlich großen Einfluss auf die EXAFS-Spektren hat. Der Informationsgehalt steigt signifikant an, wenn die Messtemperatur auf 10K verringert wird, und die Spektren enthalten Informationen über interatomare Abstände bis ca. 6Å (im Vergleichzu ca. 3Å bei Raumtemperatur). Dieser große Temperatureinfluss hängt mit der hohen statischen Unordnung in der kristallinen Phase zusammen. Obwohl bei einerTemperatur von 10K der thermische Einfluss auf den EXAFS-Debye-Waller Faktorvernachlässigt werden kann, sind diese Faktoren für die kristalline Phase sehr groß und sogar größer als für die amorphe Phase. Die Ergebnisse der Reverse Monte Carlo Simulationen liefern dasselbe Bild: die Paarverteilungsfunktionen der kristallinen Konfigurationen zeigen deutlich breiter Peaks als die der zugehörigen amorphen Konfigurationen. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu gewöhnlichen Halbleitern wie z.B. Ge, die lokale Ordnung in den untersuchten Phasenwechselmaterialien in der kristallinen Phase geringer ist als in der amorphen Phase, obwohl keinelangreichweitige, periodische Ordnung in der amorphen Phase existiert.

Phase-change materials belong to a group of materials, that are suitable for optical and electronic data storage applications due to their unusual combination of properties. Within very short time, phase-change materials can reversibly be switched between a disordered, amorphous and an ordered, crystalline phase, and both the crystallization and the amorphization can be induced with laser pulses or electrical pulses. Because of the high optical and/or electrical contrast between both phases, using laser radiation or electrical pulses also the state of the material can reliably be detected. The knowledge of the structure of the amorphous and crystalline phases, which are relevant for data storage devices, is important to understand the origin of the high contrast and to be able to link the stoichiometry of the material with its physical properties. Therefore, in this study the structure of different phase-change materials is investigated by means of extended x-ray absorption fine structure(EXAFS) measurements. After a short introduction to phase-change materials, the theory of x-ray absorption measurements is discussed and the methods, that are used to analyse the EXAFS spectra, are explained. Subsequent, the experimental equipment to prepare and characterize the samples is presented. Within the scope of this thesis, the structure of the crystalline and the amorphous phase of three alloys, GeTe, Ge8Sb2Te11 and Ge1Sb2Te4, is studied. These materials lie along the pseudo-binary line, which ranges from GeTe to Sb2Te3. After the detailed description of the analysis of the EXAFS spectra and the results, the structures of the investigated materials are compared and discussed. The different local order in the amorphous and the crystalline phase, which is already apparent in the EXAFS spectra, is characteristic for phase-change materials. In the Fourier transformed display of the EXAFS spectra in real space, not only the amplitudes but also the peak positions differ in both phases. The analysis of the EXAFS spectra yields, that in the studied materials the bond lengths are shorter in the amorphous phase as compared to the crystalline phase. Investigating the crystalline phase of the phase-change materials it can be seen, that the temperature has an exceptionally large influence on the EXAFS spectra. The information content increases significantly, if the recording temperature is lowered to 10 K, and the spectra contain information on interatomic distances up to approximately 6Å (compared to ca. 3Å at room temperature). The large impact of the temperature can be associated with the large static disorder in the crystalline phase. Although at 10K contributions from thermal oscillations on the EXAFS Debye-Waller factor can be neglected, these factors are large for the crystalline phase, even larger than for the amorphous phase. The results of the Reverse Monte Carlo simulations provide the same information: the pair correlation functions for the crystalline configurations have much broader peaks than for the respective amorphous configurations. This means, that in contrast to common semiconductors, like e.g. Ge, the local order in the investigated phase-change materials is smaller in the crystalline phase than in the amorphous phase, even though no long range, periodic order exists in the amorphous phase.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-125560
Datensatz-ID: 64226

Beteiligte Länder
Germany

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Physics
Publication server / Open Access
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Publications database
130000
131110

 Record created 2013-01-28, last modified 2022-04-22


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