Disorder and electrical transport in phase change materials

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013) [Doktorarbeit]

Seite(n): IX, 147, XLV S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien (PCM) zeichnen sich durch einen hohen optischen und elektrischen Kontrast zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase aus. Beide Phasen sind bei Raumtemperatur auf einer Zeitskala von Jahren stabil. Dadurch ist ein Einsatz in optischen und elektrischen Datenspeichern möglich, wobei die schnelle und reversible Umschaltbarkeit zwischen beiden Phasen ausgenutzt wird. Während der Einsatz in wiederbeschreibbaren optischen Datenträgern gut etabliert ist, stellen PCM-basierte elektrische Datenspeicher einen potenziellen Nachfolger für Flash und DRAM dar, der Nichtflüchtigkeit bei hoher Schreibgeschwindigkeit, Skalierbarkeit und Energieeffizienz bietet. Der Ladungstransportmechanismus in der amorphen Phase dieser Materialien und insbesondere die Ursache der Phänomene "Threshold Switching" und "Resistance Drift" ist gegenwärtig umstritten. In einem Teil dieser Arbeit wird der Transportmechanismus in amorphen Phasenwechselmaterialien mittels Halleffekt-Messungen untersucht. Ein zu diesem Zweck aufgebauter Halleffekt-Messplatz wird beschrieben, bei dem das Magnetfeld periodisch moduliert wird. So kann die Hallbeweglichkeit von amorphen PCM mit bisher beispielloser Genauigkeit gemessen werden. Bei Raumtemperatur werden für fünf verschiedene PCM Werte zwischen -0.03 cm^2/Vs und -0.12 cm^2/Vs ermittelt. Die negativen Vorzeichen stehen in Kontrast zu positiven Vorzeichen der Seebeck-Koeffizienten. Zudem kann eine deutliche Temperaturabhängigkeit der Hallbeweglichkeit nachgewiesen werden. Die relevanten Aktivierungsenergien werden für drei der fünf Materialien quantitativ bestimmt und mit den theoretischen Vorhersagen des Small-Polaron-Models verglichen. Während die Vorzeichenanomalie und das Vorhandensein einer thermischen Aktivierungsenergie der Hallbeweglichkeit qualitativ in Übereinstimmung mit dem Small-Polaron-Modell ist, stehen die quantitativen Werte, kombiniert mit den Ergebnissen aus Seebeck-Messungen einer anderen Arbeit, im Widerspruch zu dessen Vorhersagen. Die Daten werden zudem im Rahmen des Standard-Transportmodells diskutiert. Weiterhin wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Unordnung nicht nur in der amorphen, sondern auch in der kristallinen Phase von hoher Bedeutung ist. Während das PCM GeTe ein p-typ degenerierter Halbleiter mit metallischen Widerstandsverlauf ist, zeigt z.B. Ge1Sb2Te4, ebenfalls ein PCM, ein solches Verhalten nur nach thermischer Behandlung bei Temperaturen deutlich über der Kristallisationstemperatur. Heizen zu kleineren Temperaturen resultiert in einem vergleichsweise hohen spezifischen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten. Dies wird auf das hohe Maß an Unordnung, insbesondere aufgrund der zufälligen Verteilung intrinsischer Leerstellen, zurückgeführt. Es wird überdies gezeigt, dass bei einem sehr hohen Maß an Unordnung echtes Isolatorverhalten vorliegt, also ein Metall-Isolator-Übergang stattfindet. Bei isolierenden Proben und tiefen Temperaturen wird Variable-Range-Hopping mit einem Übergang zwischen dem Mott'schen Gesetz und dem von Efros und Shklovskii beobachtet. Temperaturabhängige Halleffekt-Messungen zeigen, dass die Beobachtungen weder durch Nichtdegeneriertheit noch durch Streuung an ionisierten Störstellen erklärbar sind. Eine weitere Beobachtung ist die Änderung in Form und Vorzeichen der Magnetowiderstandskurven, die mit dem Metall-Isolator-Übergang zu koinzidieren scheint und auf einen Wechsel des Transportmechanismus schließen lässt. Sämtliche Beobachtungen können an ähnlichen Materialsien reproduziert werden. Dabei fällt auf, dass sich der Vorzeichenwechsel des Widerstandstemperaturkoeffizienten zuverlässig durch das Ioffe-Regel-Kriterium beschreiben lässt, d.h. er tritt dann auf, wenn das Produkt aus Fermiwellenvektor und mittlerer freier Weglänge den Wert Eins annimmt. Zudem tritt dieser Übergang unabhängig von der kristallographischen Phase auf. Selbst bei den metallischsten Proben wird ein Widerstandsminimum bei ca. 15 K beobachtet. Dieser Bereich wird im letzten Kapitel dieser Arbeit anhand von ultradünnen Hall-Barrenproben analysiert. Ein geeignetes Verfahren zur Präparation derartiger Proben wird beschrieben. Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeit des Widerstands können konsistent durch die Mechanismen der schwachen Antilokalisierung und der unordnungsverstärkten Elektron-Elektron-Wechselwirkung erklärt werden. Elastische und inelastische Streumechanismen werden quantifiziert.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Volker, Hanno

Gutachterinnen und Gutachter

Wuttig, Matthias

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47761
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-144194