Thermal Properties of Phase-Change Materials From Lattice Dynamics to Thermoelectricity

Siegert, Karl Simon; Hermann, Raphaël P.; Wuttig, Matthias

doi:HT018615480

Thermal Properties of Phase-Change Materials From Lattice Dynamics to Thermoelectricity = Thermische Eigenschaften von PhasenwechselmaterialienVon der Gitterdynamik zur Thermoelektrizität

Siegert, Karl Simon

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Karl Simon Siegert

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVI, 144 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor) ; Hermann, Raphaël P. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-01-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-016069
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465219/files/465219.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465219/files/465219.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Phasenwechselmaterialien (PCMs) bilden eine einzigartige Materialklasse, die sich durch ihre ungewöhnliche Palette physikalischer Eigenschaften auszeichnet. Schon aus der Namensgebung "Phasenwechsel" lässt sich die herausragendste Eigenschaft eines Mitglieds dieser Materialklasse ableiten: PCMs können extrem schnell und reversibel zwischen ihrer amorphen und kristallinen Phase geschaltet werden. Der Phasenwechsel führt zu drastischen Änderungen in der optischen Reflektivität und im spezifischen elektrischen Widerstand, eine Eigenschaft, die diese Materialien für technologische Anwendungen im Bereich der modernen Datenspeicherung prädestiniert. Der starke Kontrast in der Reflektivität fand seine technologische Anwendung in optischen Datenspeichern, z.B. der DVD-RW oder der Blu-Ray Disc, während der Widerstandskontrast PCMs zu attraktiven Anwärtern für neuartige, nicht-flüchtige elektronische Datenspeicher macht (sogenannte PRAMs oder PCRAMs). Diese haben das Potenzial die FLASH-Technologie in naher Zukunft abzulösen.Das Ziel dieser Arbeit ist es, die technologische Entwicklung von PCMs zu unterstützen und das Wissen um ihre physikalischen Grundeigenschaften durch eine sorgfältige Untersuchung ihrer thermischen Eigenschaften zu erweitern.Thermische Eigenschaften bestimmen eine Vielzahl von kritischen Parametern der PCM-Technologie z.B. den Energieverbrauch beim Schaltprozess. Weiterhin sind die thermischen Eigenschaften von PCMs eng verknüpft mit den ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften, die bisher in Phasenwechselmaterialien beobachtet wurden, so z.B. die unkonventionelle kristalline Bindung (Resonanzbindung) als auch Unordnungseffekte, welche die Transporteigenschaften der Materialien beeinflussen. Um die diversen Verknüpfungen adäquat zu behandeln, ist die vorliegende Arbeit in drei Abschnitte gegliedert.Im ersten Abschnitt liegt der Schwerpunkt auf den mikroskopischen und makroskopischen thermischen Eigenschaften, die mit Gitterschwingungen assoziiert werden können. Konkret handelt es sich um die phononische Zustandsdichte (PDOS), die mittels inelastischer Neutronenstreuung gemessen wurde. Diese Daten werden durch DSC-Messungen der spezifischen Wärmekapazität von GSTs ergänzt. Es wird gezeigt, dass das atomare Potential kristalliner GST-Systeme einen hohen Grad der Anharmonizität aufweist - ein Effekt, der als Folge der Resonanzbindung vermutet wurde.Der zweite Abschnitt beschreibt die thermischen Transporteigenschaften in GSTs. Mittels eines eigens konstruierten 3omega Messplatzes konnte die thermische Leitfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 50 K bestimmt werden. Die resultierenden Daten ermöglichen einen Einblick in die phononischen Streukanäle. Es wird gezeigt, das die thermische Leitfähigkeit - ähnlich der elektrischen - von dem hohen Grad der Unordnung beeinflusst wird. Zusammengefasst mit den Ergebnissen aus dem ersten Teil formiert sich für diese Materialien ein Bild, in dem die thermische Leitfähigkeit von einem komplexen Zusammenspiel von Anharmonizität und Unordnung bestimmt wird. Weiterhin kann der Grad der Unordnung genutzt werden, um thermische und elektrische Transporteigenschaften in einem bestimmten Bereich einzustellen. Es eröffnet sich somit die Frage, ob über den Unordnungsgrad gezielt ein sogenanntes PGEC-Material (phonon glass, electron crystal) erstellt werden kann, welches eine herausragende Eignung für die thermoelektrische Konversion von Wärme zu elektrischer Energie (und umgekehrt) hätte.Diese Frage wird im dritten Abschnitt der Arbeit, in dem die thermoelektrischen Eigenschaften von PCMs vorgestellt werden, näher untersucht. Hier werden die thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten um die zugehörigen Seebeckdaten ergänzt, um die thermoelektrische Figure of Merit ZT zu errechnen. Für GeTe-reiche GSTs und für Systeme nahe dem Metall-Isolator Übergang werden erhöhte ZT Werte gefunden (bis zu 0.8). Dies ist ein vielversprechendes Ergebnis im Hinblick auf eine potentielle Nutzung dieser vielseitigen Materialklasse im Bereich der Thermoelektrik. Darüberhinaus unterstreicht dieses Ergebnis die hohe Relevanz der thermischen Charakterisierung von Phasenwechselmaterialien im Allgemeinen.

Phase-change materials (PCMs) form a unique collection of materials that is defined by its extraordinary property portfolio. The attribute "phase-change" readily summarizes the most prominent feature of a representative of this material class: PCMs can be rapidly and reversibly switched between the crystalline and the amorphous phase. Alongside with the phase transition drastic changes occur in optical reflectivity and electrical conductivity, which predestine these compounds for technological utilization in modern data storage devices. The large contrast in reflectivity leveraged the employment of PCMs in optical data storage devices such as DVD-RWs or the Blu-Ray disc, while the contrast in resistivity makes them promising contenders for a new class of non-volatile, electronic data storage devices (so called PRAMs or PCRAMs) that bear the potential to replace FLASH technology in the near future.The aim of this thesis is to support the ongoing development of PCM-based technology by enhancing the understanding of its physical foundation. Here, the focus is set on a thorough investigation of the thermal properties of GeSbTe-based phase-change materials (GSTs). Thermal properties determine several critical parameters of phase-change technology e.g. the power consumption of the switching process. Furthermore, thermal properties are strongly related to the peculiar physical effects which have been reported for phase-change materials such as the unconventional bonding in the crystalline phase (resonance bonding) or structural disorder that strongly affects transport properties. In order to investigate these miscellaneous relationships, the study at hand is divided into three parts. In the first part the focus is set on microscopic and macroscopic thermal properties that are associated with lattice vibrations. These are the phonon density of states (PDOS) measured by inelastic neutron scattering and the specific heat of GSTs determined by differential scanning calorimetry. It is demonstrated that crystalline GSTs exhibit signs of a pronounced anharmonic atomic interaction potential, which is a predicted consequence of resonant bonding.The second part covers thermal transport properties. Here, low temperature measurements of the thermal conductivity from room temperature down to 50 K (performed with a custom-designed 3omega setup) enable valuable insights into the phonon scattering mechanisms. It is demonstrated that thermal transport is strongly affected by the degree of configurational disorder - similar to electrical transport. In combination with the aforementioned finding of pronounced anharmonicity a model evolves, in which thermal transport in GSTs is strongly reduced by an interplay of anharmonicity and disorder. Furthermore, it is demonstrated, that the degree of disorder can be used to tailor the thermal and electrical transport properties.The topic of transport control is further expanded within the third part of the thesis where the focus moves to the thermoelectric properties of GSTs. The question arises whether the tunability of the electric and the thermal conductivity enables the approach of a so-called phonon-glass, electron crystal property combination. Such a combination is highly desirable in the field of thermoelectrics, where a thermoelectric composition converts heat into electricity and vice versa. In this part of the investigation the thermal and electrical conductivities are complemented with the corresponding Seebeck data to calculate the thermoelectric figure of merit ZT of GSTs. Elevated ZT values around 0.8 are found for GeTe-rich GST compositions and GSTs close to the metal-insulator transition. This may open up further technological utilization of these versatile materials in the field of thermoelectrics and underlines the high relevance of the thermal characterization of phase-change materials.

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