Investigation of the crystallization kinetics in phase-change materials for different structurally non-crystalline phases in a wide time and temperature range

• Untersuchung der Kristallisationskinetik in Phasenwechsel-Materialien für unterschiedliche strukturell nicht-kristalline Phasen in verschiedenen Zeit- und Temperaturbereichen

Benke-Jacob, Julia; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Phasenwechsel-Materialien sind Materialien einer besonderen Materialklasse, die extrem schnell zwischen der nicht-kristallinen und der kristallinen Phase geschaltet werden können. Der jeweilige Zustand bleibt dann bei Raumtemperatur über Jahre hinweg erhalten. Damit qualifizieren sich Phasenwechsel-Materialien als potenzielle Kandidaten für neue und universelle elektronische Speichermedien. Während der Übergang von der kristallinen Phase zur nicht-kristallinen Phase thermisch nur vom Design der Speicherzelle abhängt, ist die Kristallisation ein zeitkritischer Prozess, der stark von der Temperatur beeinflusst wird. Der Schaltprozess wird daher von der Kristallisationsgeschwindigkeit begrenzt. In der vorliegenden Arbeit wird die Kristallisationskinetik in Phasenwechsel-Materialien umfassend untersucht. Die Kristallisation wurde unter nicht-isothermen und isothermen Bedingungen für verschiedene wachstumsdominierte Phasenwechsel-Materialien und für verschiedene nicht-kristalline Phasen untersucht. Dabei wurden verschiedene experimentelle Methoden verwendet, die alle konsistente Ergebnisse lieferten. Aus den Ergebnissen der nicht-isotherme Experimente konnten neue, bisher unbekannte Erkenntnisse über die Kristallisationskinetik und die Kinetik der nicht-kristallinen Phase gewonnen werden wie beispielsweise ein vereinfachter Zugang zur Untersuchung des Kristallisationsmechanismus vor und nach thermischer Behandlung, ein Überblick über die Stabilität der Glasphase und der maximalen Kristallationsgeschwindigkeit für die verschiedenen untersuchten Phasenwechsel-Materialien. Untersuchungen an wachstumsdominierten Phasenwechsel-Materialien mit isothermen Methoden und der Transfer zu Diffusivität und Viskosität ergaben überraschende Ergebnisse hinsichtlich der Temperatur für den Übergang in die Glasphase und erstmalig konnte die unterkühlte Phase direkt für Sb2Te beobachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass direkte Messungen des Kristallwachstums mit dem POT-Aufbau Ergebnisse erzielen, die mit den Ergebnissen anderer verwendeter Methoden übereinstimmen. Weiterhin wurden die nicht-kristallinen Phasen auf ihre atomare Struktur untersucht, um einen Zusammenhang zur Kristallisationskinetik und zur Kinetik der nicht-kristallinen Phase herstellen zu können. Dabei wurde derselbe Trend für alle untersuchten Phasenwechsel-Materialien gefunden. Die vorliegende Arbeit soll als Basis dienen, die zum einen die Berechtigung der Benutzung der verwendeten Methoden beweist aber auch eine Richtung vorgibt für zukünftige Untersuchungen, die darauf abzielen die Kristallisationsmechanismen in Phasenwechsel-Materialien besser zu verstehen und zugleich einen Beitrag leisten sollen zur Lösung der großen Herausforderung bei der Untersuchung des Glasüberganges.