Crystallization kinetics of phase change materials on a ns-timescale at elevated temperatures

Kaldenbach, Andreas Christian; Wuttig, Matthias

doi:31566

Crystallization kinetics of phase change materials on a ns-timescale at elevated temperatures = Kristallisationskinetik von Phasenwechselmaterialien auf einer ns-Zeitskala bei erhöhten Temperaturen

Kaldenbach, Andreas Christian (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Christian Kaldenbach

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXI, 162 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-04-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-40684
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82713/files/4068.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kinetik (Genormte SW) ; Rekristallisationskinetik (Genormte SW) ; Ordnungs-Unordnungs-Umwandlung (Genormte SW) ; Phasenumwandlung (Genormte SW) ; Strukturelle Phasenumwandlung (Genormte SW) ; Phase-Change-Technologie (Genormte SW) ; Laser (Genormte SW) ; Temperatur (Genormte SW) ; Durchstrahlungselektronenmikroskopie (Genormte SW) ; Durchstrahlungselektronenmikroskop (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Nanosekunde (frei) ; crystallization kinetics (frei) ; elevated temperatures (frei) ; phase-transition (frei) ; laser induced switching (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Phasenwechselmaterialien haben in den letzten Jahren bzw. Jahrzenten großes Interesse erlangt. Dies ist darauf zurück zuführen, dass Phasenwechselmaterialien nicht nur in der optischen Datenspeicherung Anwendung finden, sondern auch im Bereich der elektrischen Random Access Memories in PCs von großer Bedeutung sind. Sie sind einer der aussichtsreichsten Kandidaten für zukünftige Speicher-Technologien und werden sehr wahrscheinlich FLASH-Speicher oder sogar DRAM ersetzen. Erste Prototypen elektrischer Speicher wurden bereits entwickelt und es existieren schon einige Produkte in Nischenmärkten, die auf der Basis von Phasenwechselmaterialien arbeiten. Eines der wichtigsten Merkmale von Phasenwechselmaterialien ist die Nicht-Flüchtigkeit, die durch eine dauerhafte strukturelle (Um-)Ordnung erreicht wird. Zum jetzigen Zeitpunkt erfordert der DRAM eine elektrische Auffrischung der gespeicherten Informationen in bestimmten Perioden. Dies bedeutet, dass die Informationen bei Abschaltung der Stromversorgung verloren gehen und der PC beim Neustart hochgefahren werden muss. Wenn also der Random Access Memory auf Phasenwechselmaterialien basieren würde, wäre ein Hochfahren des PCs nicht mehr nötig. Allerdings ist die Nicht-Flüchtigkeit nicht der einzige Grund für das wachsende Interesse an diesen Materialien. Ihr schnelles Umschalten innerhalb von wenigen Nanosekunden ist ein weiteres attraktives Phänomen. Es findet zwischen einem amorphen und kristallinen Zustand statt, welcher einen hohen elektrischen Widerstand und eine niedrige Reflektivität bzw. einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine hohe Reflektivität besitzt. Jedoch ist der grundlegende Mechanismus der Kristallisation in diesen Materialien noch nicht vollständig erschlossen. Bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur kann ein Phasenwechsel nicht beobachtet werden. Daher sind Phasenwechselmaterialien langzeit stabil. Bei erhöhten Temperaturen tritt jedoch ein schnelles Umschalten auf einer Nanosekunden Zeitskala auf. Da Phasenwechselmaterialien innerhalb des Temperaturbereichs zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Schmelzpunkt eine extrem schnelle Schaltgeschwindigkeit besitzen, ist es schwierig, diesen Temperaturbereich der schnellen Kristallisation zu erschließen. Dies ist auch der Grund, weshalb bislang keine Daten hierzu veröffentlicht wurden. In der Regel wird die Datenlücke mit einer Extrapolation von niedrigen zu hohen Temperaturen geschlossen, aber die Bedeutung dieser Extrapolation ist fraglich. Deswegen ist eine umfassende Untersuchung der temperaturabhängigen Keimbildung und des temperaturabhängigen Wachstums sehr wünschenswert. Diese Arbeit hat das Ziel, einen Beitrag zur Forschung der Kristallisationskinetik zu geben, so dass Extrapolationen fundierter oder sogar überflüssig werden. Es wird daher zu Beginn eine kurze Einführung in Phasenwechselmaterialien gegeben, in welcher die besonderen Eigenschaften dieser Materialklasse vorgestellt werden. Anschließend wird ein theoretischer Hintergrund zur Kristallisationskinetik dargelegt, der Einblicke in die theoretischen Modelle bietet, welche die Grundlagen der genannten Extrapolationen darstellt. In den vergangenen Jahrzehnten gab es viele Versuche, die schnelle Kristallisationskinetik zu erfassen. Hierzu wird eine ausgewählte Diskussion der Konzepte und Instrumente, die entwickelt wurden, um die Kristallisation zu untersuchen, präsentiert. Es wird jedoch auch gezeigt, dass aus den unterschiedlichsten Gründen keiner der vorgestellten Ansätze in der Lage ist, die schnelle Kristallisationskinetik vollständig zu untersuchen. Es ist also unabdingbar, einen anderen Messplatz und ein anderes Konzept zu entwickeln. Deshalb wird im Anschluss der Phase-change Optical Tester (POT) als Zugang zur schnellen Kristallisationskinetik erklärt. Das Konzept, dass in Kombination mit POT angewendet wird, wird nachfolgend erläutert. Zu beachten ist allerdings, dass der Schwerpunkt der Forschung in dem Gebiet der Kristallisationskinetik im Rahmen dieser Arbeit auf das Kristallwachstum gelegt wird. Deshalb wird das Konzept in Kombination mit POT auf das Phasenwechselmaterial AgInSbTe angewendet und mit theoretischen Modellen verglichen. Leider ist POT alleine nicht in der Lage, die strukturelle Umordnung von Phasenwechselmaterialien, die während des schnellen Schaltvorgangs auftreten, zu untersuchen. Daher ist eine Überprüfung der durchgeführten Experimente mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erforderlich, da TEM ein leistungsfähiges Gerät zur lokalen strukturellen Untersuchung ist. Diese Arbeit enthält abschließend eine Zusammenfassung, in der die Ergebnisse zusammengetragen werden und zukünftige Experimente, die mit POT, den experimentellen Konzepten und TEM durchgeführt werden können, erklärt werden.

Phase-change materials have gained considerable interest in recent years and decades, respectively. This is not only due to their application in optical data storage, but also in the field of electrical random access memories in personal computers. They are one of the most promising candidates for future memory technology applications and are considered to replace FLASH-Memory or even DRAM. First prototypes have already been developed and some products in niche markets are already working on the basis of phase-change materials. One of the key features is their non-volatility which is enabled by a permanent structural (re)- arrangement. At this time, DRAM requires an electrical refresh of the stored information in certain periods. Thus, if power is turned off, the information is lost and the personal computer needs to boot at restart. Hence, if the random access memory was based on phase-change materials, booting of personal computers would not be necessary any longer. However, their non-volatility is not the only reason for the growing interest in these materials. Their rapid switching within a few nanoseconds is another attractive phenomena. It occurs between an amorphous and crystalline state which is high resistive and low reflective or low resistive and high reflective, respectively. Though, the fundamental mechanism of crystallization in these materials is still not fully understood. At temperatures close to room temperature, a phase change cannot be observed. Hence, phase-change materials are long-term stable. Anyhow, at elevated temperatures, a rapid switching can occur on a nanosecond time-scale. Since, within the temperature regime between the glass transition temperature and the melting point, phase-change materials possess an extremely rapid switching speed, it is challenging to access the regime of fast crystallization. Hence, until now, no data in the regime of fast crystallization were published. Usually, the lack of data is closed with an extrapolation from low to high temperatures, but the relevance of these extrapolations is questionable. Therefore, a comprehensive investigation of the temperature dependence of crystal nucleation and growth is highly desirable. This work has the overall aim to contribute to the research of crystallization kinetics in such a way that extrapolations are more profound or even unnecessary. Anyway, it will start with giving a brief introduction to phase-change materials and relevant aspects of this special class of materials will be presented. Subsequently, a theoretical background of crystallization kinetics will give insights to theoretical models which are the basis of the mentioned extrapolations. In the past decades, there have been many attempts in unraveling the fast crystallization kinetics. A selected review of concepts and tools, developed to investigate crystallization kinetics will be given. However, it will be shown that none of the presented approaches is capable of accessing fast crystallization kinetics completely for different reasons. Thus, there is a need for a different setup and concept. Hence, the Phase-change Optical Tester (POT) and the concept using it will be explained as a tool being capable to access fast crystallization kinetics. It has to be noted that the focus of research in the field of crystallization kinetics within this work is crystal growth. Therefore, this concept in combination with POT is applied to the phase-change material AgInSbTe and will be compared to theoretical models. Unfortunately, POT alone is not able to access the structural rearrangement of phase-change materials which occur during the rapid switching process. Thus, a recheck of the performed experiments is achieved with Transmission Electron Microscopy (TEM), since TEM is a powerful tool to perform structural investigation on local scale. In the summary of this thesis, the results will be condensed and future experiments are elaborated which benefit from the POT setup, the experimental concept and TEM.

Fulltext:
PDF