Ab initio investigation of phase change materials : structural, electronic and kinetic properties

Zhang, Wei; Mazzarello, Riccardo

doi:33577

Ab initio investigation of phase change materials : structural, electronic and kinetic properties = Ab-initio-Untersuchung der Phasenwechselmaterialien : strukturelle, elektronische und kinetische Eigenschaften

Zhang, Wei (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wei Zhang

ImpressumAachen 2014

UmfangX, 181 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zs.-Fassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mazzarello, Riccardo (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-05-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51097
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444857/files/5109.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Phasenwechselspeicher (Genormte SW) ; Phase-Change-Technologie (Genormte SW) ; Ab-initio-Rechnung (Genormte SW) ; Dichtefunktionalformalismus (Genormte SW) ; Molekulardynamik (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Ab-initio Molekulardynamik (frei) ; Phase-Change Materials (frei) ; ab initio theory (frei) ; Density functional theory (frei) ; ab initio molecular dynamics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 64.70.dg * 61.43.Bn * 61.43.Dq * 66.30.hh * 64.70.dg

Kurzfassung
Phasenwechselmaterialien (PCM) besitzen eine sonderbare Kombination von Eigenschaften. Sie sind in der Lage, schnell und reversibel zwischen der amorphen und der kristallinen Phase bei hoher Temperatur zu schalten. Jedoch sind beide Phasen thermisch sehr stabil bei Raumtemperatur. Der ausgeprägte optische und elektrische Kontrast zwischen diesen Phasen hat die Entwicklung der auf PCM basierende Datenspeichertechnologie ermöglicht. Die Untersuchung von PCM ist nicht nur von der Nachfrage der Industrie angetrieben, sondern auch durch die grundlegenden Fragen, die diese faszinierenden Materialien aufwerfen und die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern und Ingenieuren in den letzten Jahrzehnten auf sich gezogen haben. Die Dissertation zielt darauf ab, ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Aspekte der PCM auf atomarer Ebene durch den Einsatz von quantenmechanischen Simulationen: Dichtefunktionaltheorie (DFT) und die darauf beruhende ab-initio Molekulardynamik (AIMD). Diese beiden Verfahren sind als wirksame Werkzeuge in Simulationen realer Materialien bekannt. Nach einer Einführung in die PCM und einen Überblick der wissenschaftlichen Methoden, beginne ich mit der Diskussion der kristallinen PCM, insbesondere der kristallinen GeSbTe (c-GST) Systeme, bei denen eine erhebliche Menge an atomarer Unordnung festgestellt wurde. Vor kurzem wurden überzeugende, experimentelle Beweise für die durch Unordnung induzierte Lokalisation der Elektronenzustände in c-GST gefunden. Durch die atomistische Modellierung und die Elektronenstrukturberechnung haben wir den mikroskopischen Ursprung dieser Lokalisation identifiziert und ein plausibles Szenario für einen Ordnungs-Unordnungs-Übergang vorgeschlagen, das den experimentell beobachteten Metall-Isolator-Übergang (MIT) erklärt. All diese Erkenntnisse liefern wichtige Erkenntnisse zur Steuerung der Lokalisation der Wellenfunktion, die zur Entwicklung von Multi-Level-Daten-Speichern und anderen konzeptionell neueartigen Geräten führen können, die mehrere Widerstandszustände ausnutzen. Im zweiten Teil werden die Phasenübergänge zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand untersucht. Die kinetischen Prozesse der Amorphisierung und der Kristallisation werden mittels AIMD modelliert. Die strukturellen Eigenschaften von mehreren amorphen PCM werden im Detail untersucht. Die chemische Bindung in amorphem GeTe (a-GeTe) wird analysiert, und die Bedeutung von homopolaren Bindungen quantifiziert. Die Kristallisation von wachstumsdominierten PCM, mit Ag und In dotiertem Sb2Te (AIST) und reinem Sb2Te wurde durch umfangreiche AIMD-Simulationen realisiert. Die atomaren Prozesse, die an Grenzflächen zwischen der amorphen und der kristallinen Phase statfinden, werden untersucht. Bei hohen Temperaturen sind die Wachstumsgeschwindigkeit und die dynamischen Eigenschaften mit Resultaten von zeitaufgelösten Reflektivitätsmessungen vergleichbar und die Rolle der Verunreinigungen in diesem Temperaturbereich wird aufgezeigt. Außerdem ist eine bemerkenswert starke Abhängigkeit der dynamischen Eigenschaften von den Abkühlraten bei niedrigen Temperaturen beobachtet. Kürzlich wurde eine Vielzahl von ausgeklügelten Anwendungen von PCM vorgeschlagen und entwickelt, wie z.B. arithmetische, logische und bioinspirierte (oder neuromorphen) Datenverarbeitung, Kontrolle des Ferromagnetismus durch PCM, eindimensionale Phasenwechsel-Nanodrähte und so weiter. In diesem Teil konzentrieren wir uns auf die Dotierung der PCM mit magnetischen Verunreinigungen, und diskutieren die magnetischen Eigenschaften dieser Systeme sowohl in der kristallinen als auch in der amorphen Phase. Wir klären den experimentell beobachteten magnetischen Kontrast in Fe-dotierten GST. Darüber hinaus sagen wir verschiedene magnetische Verhalten bei Dotierung mit verschiedenen 3d Verunreinigungen voraus. Diese Untersuchungen können zu neuen Anwendungen in Datenspeicherung, Multifunktions-Spintronik-Geräten sowie magnetisch schnell schaltenden Geräten führen.

Phase change materials (PCMs) possess a peculiar combination of properties. They are capable of switching rapidly and reversibly between the amorphous and the crystalline phase at high temperature. However, the two phases are thermally very stable at room temperature. The pronounced optical and electrical contrast between these phases has enabled the development of data storage and memory technology based on PCMs. The investigation of PCMs is not only driven by the demands of industry, but also by the fundamental questions underlying these fascinating materials, which have drawn the attention of scientists and engineers during the past few decades. This thesis aims at providing an in-depth understanding of various aspects of PCMs at the atomic level by employing quantum mechanical simulations: density functional theory (DFT) and DFT based ab initio molecular dynamics (AIMD). The two methods are known as powerful tools in simulating real materials. After an introduction to PCMs and a review of the methodology, I start with the discussion of crystalline PCMs, in particular crystalline GeSbTe (c-GST) systems, where a significant amount of atomic disorder is detected. Recently, compelling evidence of disorder-induced localization of the electronic states has been found in c-GST experimentally. By atomistic modeling and electronic structure calculations, we have identified the microscopic origin of localization and we have proposed a plausible scenario for a disorder-order transition, which explains the metal-insulator transition (MIT) observed experimentally. All these findings provide important insights on controlling the wavefunction localization, which could lead to the development of multi-level data storage and other conceptually new devices based on multiple resistance states. In the second part, phase transformations between the amorphous and the crystalline state are investigated. The kinetic process of both amorphization and crystallization is modeled using AIMD. The structural properties of several amorphous PCMs are studied in detail. Chemical bonding in amorphous GeTe (a-GeTe) is analyzed, and the importance of homopolar bonds is quantified. The crystallization of growth-dominated PCMs, Ag, In doped Sb2Te (AIST) and clean Sb2Te, is realized with large-scale AIMD simulations. The atomic processes at the very front of the crystalline-amorphous interface are investigated. At high temperature, the growth velocity and the dynamical properties compare well with time-resolved reflectivity measurements and the role of impurities is elucidated in this temperature regime. Besides, a remarkably strong dependence of the dynamical properties on the quenching rates is observed at low temperatures. Recently, a variety of more sophisticated applications of PCMs have been proposed and designed, e.g. arithmetic, logical and bio-inspired (or neuromorphic) processing, phase-change control over ferromagnetism, one-dimensional phase change nanowires and so on. In the last part of the thesis, we focus on the doping of PCMs with magnetic impurities, and discuss the magnetic properties of these systems in both the crystalline and the amorphous phase. We explain the magnetic contrast in Fe-doped GST observed experimentally. Moreover, we predict different magnetic behaviors upon doping with different 3 d impurities. These studies may lead to new applications in data storage, multifunctional spintronic devices as well as fast magnetic switching devices.

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