Using infrared nano-spectroscopy to analyze the influence of defects on the local electronic properties in resistively switching oxides and chalcogenides

• Analyse des Einflusses von Defekten auf die lokalen elektronischen Eigenschaften von resistiv schaltenden Oxiden und Chalcogeniden mittels infraroter nano-Spektroskopie

Lewin, Martin; Taubner, Thomas (Thesis advisor); Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

In dieser Doktorarbeit werden, eingebettet in den Sonderforschungsbereich 917 "Nanoschalter", die lokalen Ladungsträgereigenschaften neuer Speicher-Materialien für die Informationstechnik auf der Nanometer-Skala untersucht. Der Fokus liegt dabei auf den Materialien Sb2Te3 und SrTiO3, die beispielhaft jeweils für die Klassen der resistiv-schaltbaren Oxide und Phasenwechselmaterialien stehen. Der elektrische Widerstand beider Materialklassen kann durch Spannungspulse reversibel geschaltet werden. In beiden Materialklassen ist der genaue Schaltprozess noch nicht vollumfänglich verstanden. Um eine gezielte Optimierung und Skalierung der Bauteile zu ermöglichen, muss der Einfluss von Defekten auf die lokalen Ladungsträgereigenschaften besser verstanden werden. Etablierte Analyse-Methoden werden jedoch entweder bereits durch die oftmals vorhandenen Nanometer-dicken Deckschichten (Elektroden, Schutzschichten, Oxide) behindert oder garantieren keine zerstörungsfreie Untersuchung. Beide Probleme werden in dieser Arbeit umgangen, indem die lokalen Ladungsträgereigenschaften in Sb2Te3 und SrTiO3 mit Hilfe infraroter Laserstrahlquellen (zerstörungsfrei) in Kombination mit einem Streulicht-basierten optischen Raster-Nahfeldmikroskop (s-SNOM, Eindringtiefe bis zu 100 nm) untersucht werden. Hauer et al. beobachteten 2015 in Sb2Te3 Nano-Plättchen mittels s-SNOM die Formierung von dreieckigen Domänen mit einem starken Kontrast im infraroten Spektralbereich.[1] Es wurde vermutet, dass der infrarote Kontrast von unterschiedlichen Ladungsträgerdichten resultiert, die durch den speziellen Wachstumsprozess der Plättchen bedingt werden. In dieser Arbeit werden im Rahmen einer detaillierten Wachstumsstudie zu Sb2Te3 chemisch synthetisierte Nanopartikel unterschiedlicher Morphologie, sowie Dünnschichten, die mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurden, im infraroten Spektralbereich mit dem s-SNOM untersucht. So kann gezeigt werden, dass die Domänenbildung eine intrinsische Eigenschaft von Sb2Te3 ist, die unabhängig vom Wachstumsverfahren auch in technologisch relevanten Systemen auftreten kann. Die Auswertung normierter Nahfeld-Spektren zeigt, dass das Infrarot-Spektrum der einzelnen Domänen tatsächlich durch das Drude Modell freier Ladungsträger beschrieben werden kann, wobei die Plasmafrequenz zwischen den Domänen spektral verschoben ist. Als wahrscheinlichste Erklärung werden unterschiedliche Ladungsträgerdichten als Folge unterschiedlicher Dichten von Substitutions-Atomen, die sich während des Wachstum ausbilden, als Ursache ausgemacht. Die beobachteten intrinsischen Ladungsträgerdomänen sind somit relevant für jedwede elektronische Anwendung von Sb2Te3 und könnten in vielen anderen Halbleitern mit Van-der-Vaals ähnlichen Bindung zu finden sein. Da die Plasmafrequenz der Ladungsträger in SrTiO3 typischerweise im Terahertz-Bereich liegt, können die lokalen elektronischen Eigenschaften in SrTiO3 nicht direkt mittels s-SNOM unter Verwendung kommerzieller Dauerstrich-Lasern untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die elektronischen Eigenschaften stattdessen über die Plasmon-Phonon-Kopplung indirekt aus den Nahfeld-Spektren der Phononenresonanz in SrTiO3 extrahiert werden können. Basierend auf dieser Methode wird durch die Korrelation mit Elektronen-Mikroskopischen Verfahren die Anreicherung von Elektronen an Korngrenzen in Donor-dotierten SrTiO3 Keramiken nachgewiesen. Als Anwendungsbeispiel für zukünftige Untersuchungen des elektronischen Schaltprozesses, werden die Infrarotspektren lokal geschalteter Bereiche in einem SrTiO3 Dünnfilm ausgewertet. Um das Potenzial der Infrarot-Nanoskopie für in-operando Messungen an vergrabenen Strukturen zu demonstrieren, wir eine vertikale resistiv-schaltende SrTiO3 Zelle mit einer Graphen Deck-Elektrode mittels s-SNOM untersucht. Im lokalen infraroten Streusignal der Zelle werden starke räumliche Inhomogenitäten identifiziert, die mutmaßlich auf unbekannte ausgedehnte Defekte im SrTiO3 Substrat zurückzuführen sind. Im Hauptteil dieser Arbeit werden Konzepte der Nano-Optik (Plasmon-Phonon Kopplung) erfolgreich genutzt, um die Eigenschaften resistiv-schaltender Oxide zu charakterisieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen im Umkehrschluss eine Anwendung der untersuchten Materialien als aktives Medium für die Kontrolle von Oberflächen-Phonon-Polaritonen in der Photonik nahe. Als Ausblick wird daher ein Konzept für die Verwendung von resistiv schaltenden Oxiden als Grundbaustein für wieder-beschreibbare optische Meta-Oberflächen mit nur einer aktiven Schicht präsentiert. [[1] B. Hauer et al. In: Nano Letters, vol. 15, no. 5 (2015), pp. 2787-2793.]