Charge transport in phase change materials

  • Ladungstransport in Phasenwechselmaterialien

Jost, Peter Christian Georg; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

„Phasenwechselspeicher” kodieren Informationen in der strukturellen Phase sogenannter „Phasenwechselmaterialien”. Phasenwechselmaterialien können durch geeignete Heiz-Pulse reversibel zwischen ihren amorphen und kristallinen Phasen geschaltet werden, wobei der Zustand (die Phase) eines Speicherelementes aufgrund des ausgeprägten optischen und elektrischen Eigenschaftskontrastes zwischen den Phasen auf einfache Weise ermittelt werden kann. Da elektrische Phasenwechselspeicher die Vorteile heutiger DRAM- und Flash-Technologien (Geschwindigkeit und Nicht-Flüchtigkeit) vereinen, bieten sie einen Weg zur Verwirklichung des Konzeptes eines „universellen Speichers“, d.h. der Vereinigung von Arbeitsspeicher und Langzeitspeicher. Durch den Paradigmenwechsel von den bereits kommerziell erfolgreichen optischen Phasenwechselmedien wie zum Beispiel der CD-RW oder der DVD-RW hin zu elektrischen phasenwechsel-basierten RAMs rücken insbesondere die elektrischen Eigenschaften in den Vordergrund. Darüber hinaus wird das Interesse an den Ladungstransportmechanismen durch die Aussicht gefördert, Phasenwechselmaterialien in Casimir-Kraft-basierten nanoelektromechanischen Aktuatoren und in thermoelektrischen Geräten einzusetzen. Ungeachtet seiner enormen Bedeutung ist das Verständnis des Ladungstransports in Phasenwechselmaterialien jedoch immer noch unzureichend. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ergebnisse dreier auf die Gewinnung weiterer Einblicke in die Leitungsmechanismen beider Phasen von sputter-deponierten Phasenwechselmaterialien abzielender Forschungsprojekte präsentiert: Der Schwerpunkt des ersten Projektes liegt auf temperatur-abhängigen Leitfähigkeits- und Seebeck-Messungen in den „as-deposited“ amorphen Phasen. Zum ersten Mal wurde eine repräsentative, bis auf die In3SbTe2-Klasse alle relevanten Klassen von Phasenwechselmaterialien abdeckende Auswahl amorpher Phasenwechselmaterialien unter genau den gleichen Depositionsbedingungen hergestellt. Die Verwendung eines selbstentwickelten Aufbaus, der für die speziellen bei Messungen an amorphen Phasenwechselfilmen auftretenden Anforderungen konzipiert wurde, ermöglichte genaue Messungen im Temperaturbereich zwischen -50°C und +120°C. Mit Ausnahme von Ge15Sb85, das einen Übergang von p-Typ-Leitung bei tiefen Temperaturen zu n-Typ-Leitung bei hohen Temperaturen aufweist, sind alle Materialien eindeutig p-Typ und folgen einem gemeinsamen Verhalten im Tieftemperaturbereich. Die Ergebnisse werden im Hinblick auf die Mobilitätskanten-basierten Konzepte (standard transport model, two-channel model, long-ranged potential fluctuations model und revised standard transport model) und im Hinblick auf das small-polaron-Modell diskutiert. Das zweite Projekt behandelt die ausgeprägte Widerstandsreduktion, die beim Heizen des kristallinen Zustands von Ge1Sb2Te4 beobachtet werden kann (mehr als 2 Größenordnungen). Die Forschungsanstrengungen, die im Rahmen dieser Arbeit unternommen wurden, waren Teil einer groß angelegten Messkampagne, in die mehrere Doktoranden involviert waren und die ein besonders breites Spektrum experimenteller Techniken einschloss. Die Fülle experimenteller Daten ermöglichte es, die Widersprüche in den diversen Erklärungsansätzen aufzuzeigen, die von vorherigen Untersuchungen vorgeschlagen wurden. Zum ersten Mal konnte die Relevanz von unordnungsbedingten Lokalisierungseffekten erkannt werden: Bei kleinen Heiztemperaturen macht die ausgeprägte Unordnung in kristallinem Ge1Sb2Te4 das System zu einem Anderson-Isolator. Der Rückgang der Unordnung beim Heizen verursacht den Übergang zu einem metallischen Zustand. Folglich zeigt kristallines Ge1Sb2Te4 einen unordnungsgetriebenen Isolator-zu-Metall-Übergang beim Heizen. Es ist bemerkenswert, dass der Heizeffekt eine generische Eigenschaft des pseudo-binären (GeTe)x-(Sb2Te3)1-x-Systems ist. Das dritte Projekt untersucht das Verhalten der pseudo-binären, kristallinen Legierungen zwischen Ge3Sb2Te6 und GeTe. Es konnte gezeigt werden, dass der zuvor erwähnte Heizeffekt bis hin zu Ge8Sb2Te11 fortbesteht. Am bedeutendsten ist, dass die Vergrößerung des GeTe-Anteils im kristallinen (GeTe)x-(Sb2Te3)1-x-System die gleichen Änderungen der elektrischen Transportparameter bewirkt wie eine Erhöhung der Heiztemperatur bei Ge1Sb2Te4, d.h., der GeTe-Anteil kann als ein alternativer Kontrollparameter für den Metall-Isolator-Übergang eingesetzt werden. Allerdings wird der stöchiometriegetriebene Übergang im (GeTe)x-(Sb2Te3)1-x-System im Gegensatz zu dem heiztemperatur-getriebenen Übergang in Ge1Sb2Te4 nicht von einem kristallographischen Übergang begleitet. Daher demonstriert die Analogie zwischen den beiden Übergängen schlussendlich, dass der kristallographische Übergang in Ge1Sb2Te4 nicht wesentlich für den Metall-Isolator-Übergang ist. Darüber hinaus ergab eine Analyse der thermoelektrischen Leistung im kristallinen (GeTe)x-(Sb2Te3)1-x-System, dass kristallines Ge8Sb2Te11 ein potentielles p-Typ Thermoelektrikum ist.

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