Design rules, local structure and lattice dynamics of phase change materials for data storage applications

  • Designregeln, lokale Struktur und Gitterdynamik von Phasenwechselmaterialien für Datenspeicheranwendungen

Lencer, Alexander Dominic André; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Der stetig steigende Bedarf unserer modernen Informationsgesellschaft an leistungsfähigen Datenspeichern erfordert die Entwicklung innovativer Speicherkonzepte. Daher haben sich neuartige Speicher auf der Grundlage von Phasenwechselmaterialien in den Fokus der Forschung geschoben. Diese Materialien können lokal innerhalb kürzester Zeit reversibel zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase umgeschaltet werden. Somit lassen sich verschiedene Zustände unterscheiden, da beide Phasen stark voneinander abweichende physikalische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere Reflektivität und elektrische Leitfähigkeit sind hier zu nennen, wodurch Anwendungen in optischen und elektrischen Speichern möglich werden. Allerdings limitieren die Eigenschaften des jeweils eingesetzten Phasenwechselmaterials die Leistungsfähigkeit solcher Speicher. Nur wenige geeignete Materialien sind bisher empirisch identifiziert worden. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit dem Verständnis der einzigartigen Materialphysik von Phasenwechselmaterialien. Sie gliedert sich dabei in vier Teile. Im ersten Teil wird eine Zusammenfassung des bisherigen Stands der Forschung präsentiert. Hieraus ergeben sich die wesentlichen Fragestellungen der Materialentwicklung, die in dieser Arbeit behandelt werden. Im zweiten Teil wird auf der Grundlage von experimentellen Resultaten zur Struktur und zu den optischen Eigenschaften das Auftreten von resonanten Bindungen in der kristallinen Phase als charakteristisches Merkmal dieser Materialfamilie identifiziert, welches für den ausgenutzten Kontrast zischen den Phasen verantwortlich ist. Resonante Bindungen stehen jedoch in Konkurrenz zu Peierls-artigen Verzerrungen, welche die Atome aus den Symmetriepositionen der Kristallstruktur auslenken. Auf der Grundlage von rechnergestützten Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (DFT) zeigt sich jedoch, dass bei Phasenwechselmaterialien die charakteristischen Eigenschaften von Resonanzbindungen dadurch nicht vollständig aufgehoben werden. Aus diesem Verständnis wird eine Designregel in Form einer Karte entwickelt. Aus den Koordinaten, welche für die Ionizität der Bindung und die Wahrscheinlichkeit von Hybridisierung stehen, ergibt sich dabei die zu erwartende Ausprägung von Resonanzeigenschaften eines Materials. Die Karte lokalisiert die bis dato identifizierten Phasenwechselmaterialien erfolgreich in einem eng begrenzten Bereich. Im dritten Teil werden diese Karte, ihre Aussagen und die Grenzen Ihrer Gültigkeit mittels DFT-Rechnungen beleuchtet. Dazu werden mehrere Materialien hinsichtlich ihrer Struktur und der Eigenschaften ihrer Bindungen untersucht. Die Ergebnisse bestätigen dabei die grundsätzliche Gültigkeit der Karte sowie ihrer Vorhersagen in Bezug auf Trends in den Materialeigenschaften. Es zeigen sich jedoch auch Effekte, die in einer Karte nicht berücksichtigt werden können. Darunter fallen Variationen in den atomaren Verzerrungen der mehrkomponentigen Materialien, welche im vierten Teil auf die lokale Struktur zurückgeführt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss von Volumen- bzw. Druckänderungen auf die Struktur und die Bindungen berechnet und diskutiert. Die vorliegende Arbeit schließt mit der Untersuchung der atomaren Potentiallandschaft, welche über die statischen Verzerrungen hinaus Einblicke in die Gitterdynamik gibt.

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