Crystallization kinetics of phase change materials for novel data storage concepts

  • Kristallisationskinetik von Phasenwechselmaterialien für neuartige Datenspeicherkonzepte

Klein, Michael; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Nach einer generellen Definition des Begriffes „Phasenwechselmaterialien“ und der Beschreibung ihrer definierenden Eigenschaften wird kurz die Entwicklungsgeschichte der Forschung an Phasenwechselmedien erörtert. Zu diesen Eigenschaften gehört zum Beispiel die Möglichkeit mit hoher Geschwindigkeit zwischen zwei, bei Raumtemperatur stabilen Phasen zu wechseln und der Kontrast in optischen und elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden ebenfalls schon realisierte und noch mögliche Anwendungen aufgeführt. Diese Anwendungen waren eine starke treibende Kraft für die Forschung an Phasenwechselmaterialien. Bisher wurden Phasenwechselmaterialien ausschließlich in wiederbeschreibbaren optischen Medien eingesetzt. Allerdings steht die Realisierung von elektronischen Datenspeichern kurz bevor. Für beide Arten der Anwendung ist die Kristallisationskinetik von fundamentaler Wichtigkeit. In jeder Art der Anwendung wird der Kontrast zwischen amorpher und kristalliner Phase ausgenutzt. Die Geschwindigkeit der realisierten Bauteile wird durch die Kristallisationsgeschwindigkeit limitiert, da dies der langsamste der Phasenwechselprozesse ist. In vielen experimentellen Techniken können der Nukleations- und der Wachstumsteil der Kristallisation nicht getrennt werden. Diese Information ist jedoch für viele Anwendungen extrem wichtig, da durch eventuell vorhandene kristalline Ränder, der Nukleationsteil nur eine untergeordnete Rolle spielt. Kristallisation kann im Allgemeinen mit dem klassischen thermodynamischen Konzept für Phasenumwandlungen von Gibbs beschrieben werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Modelle für die Beschreibung der Kristallisationskinetik vorgestellt, das Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov Modell und das Kissinger Modell. Die Ergebnisse beider Modellvorstellungen werden verbunden, um so die Möglichkeit zu erhalten die experimentellen Resultate, die durch beide Methoden erlangt werden, später vergleichen zu können. Beginnend mit kalorimetrischen Messungen und temperaturabhängigen Widerstandsmessungen, werden die Kristallisationsprozesse einer großen Auswahl von Materialen untersucht. Mit der Kombination des sehr präzisen Kalorimeterofens und abbildenden Techniken wie Rasterkraftmikroskopie und optischer Mikroskopie können einzelne Kristalle beobachtet werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit Nukleation und Kristallwachstum getrennt aufzulösen. Innerhalb dieser Arbeit wird die Datenbasis der Kristallisationskinetik von Germanium-Antimon-Tellur-Verbindungen erheblich erweitert. Daher wird es möglich stöchiometrische Tendenzen für die Kristallisationstemperatur, die Aktivierungsbarrieren für Kristallwachstum und die stationäre Nukleationsrate, sowie für die Kissinger Aktivierungsbarriere zu bestimmen. Dies kann ausgenutzt werden, um Phasenwechselmaterialien nach dem Bedarf von Anwendungen maßzuschneidern. Letztendlich wird sich diese Arbeit auf den Einfluss der oxidierten Oberfläche der gemessenen Proben konzentrieren. Es wird gezeigt, dass für einige Materialien, die Oberflächenoxidation zur Formierung einer früher-kristallisierenden Schicht nahe der Probenoberfläche führen kann. Anschließend wird die Auswirkung von Schutzschichten, um eben diesen Effekt zu verhindern, geschildert. Der Effekt eines in mehreren Stufen ablaufenden Übergangs in den temperaturabhängigen Widerstandsmessungen, wird mit Hilfe eines einfachen Modells, basierend auf einer Parallelschaltung, erklärt. Messungen der Kristallisationskinetik von Proben, welche mit einer Schutzschicht versehen wurden, decken auf, dass diese Schutzschicht einen großen Einfluss auf die Kristallisationsgeschwindigkeit und die Nukleationsrate hat. Dies eröffnet viele neue Aussichten für interessante Forschung.

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