Control and characterization of vacancy disorder and related properties in sputter deposited GST124 thin films

Dück, Matthias Maximilian; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Kooi, Bart J. (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Bei Chalkogeniden handelt es sich um eine flexible und vielfältig anwendbare Materialklasse, die durch ihre besondere Eigenschaftskombination Aufmerksamkeit erregt und attraktiv für Anwendungen in den Bereichen Phasenwechselmaterialien, topologische Isolatoren und Thermoelektrika wirkt. In diesen Materialien findet sich zudem ein kürzlich vorgestellter chemischer Bindungsmechanismus, die metavalente Bindung (MVB). Aus diesem Grund ist diese Materialklasse auch von fundamentalem Interesse, um die Natur von Feststoffen zu verstehen und basierend auf diesem Verständnis neue Ansätze für Materialdesign zu finden. Zusätzlich zu den zuvor genannten Eigenschaften ist eine unkonventionelle Reaktion auf strukturelle Unordnung in einer Unterklasse der MVB-Chalkogenide, den Legierungen aus Ge, Sb und Te (GSTs), zu beobachten. Speziell die Verteilung der großen Anzahl von Leerstellen – 25% auf dem Kationen-Untergitter in GST124 – nimmt einen signifikanten Einfluss auf thermischen und elektrischen Transport. Ein definitionsgemäßer Metall-Isolator-Übergang (metal-to-insulator transition, MIT) wird beobachtet, während das Material getempert wird und somit die Leerstellen geordnet werden. Dieser Übergang wird der strukturellen Unordnung zugeordnet, da Dotierung eine untergeordnete Rolle spielt, wodurch eine enge Verbindung zwischen Leerstellenverteilung, elektronischer Struktur und elektrischem Transport erwiesen ist. Eine ganzheitliche Untersuchung, die diese drei Eigenschaftskategorien sowie eine effektive Kontrolle von Unordnung umfasst, wurde bis dato nicht durchgeführt. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab diese Lücke zu füllen, indem zunächst ein optimiertes Sputterdepositions-Verfahren erarbeitet wird, das die Herstellung von hochtexturierten Dünnschichten mit effizienter Kontrolle über strukturelle Unordnung ermöglicht. Im nächsten Schritt werden diese optimierten Dünnschichten genutzt, um mittels vielfältiger Messmethoden eine hohe Informationsdichte bezüglich der Zustände des Materials zu generieren. Die Methoden werden für jeden Zustand auf ein und dieselbe Probe angewandt und umfassen Röntgendiffraktion (XRD), Photoemissionsspektroskopie (PES) sowie die Charakterisierung elektrischen Transports bei tiefen Temperaturen. Nachdem ein beispielloser Grad an Kontrolle über die Leerstellenverteilung und Textur erreicht wurde, konnten gewohnte Merkmale des elektrischen Transports reproduziert und mit strukturellen Maßstäben verglichen werden. Zusätzlich wurden aus dem variierenden Unordnungsgrad resultierende Signale in den Photoemissionsspektren identifiziert, sodass die Unordnung aus allen relevanten Perspektiven betrachtet werden konnte. Die vorliegende Arbeit bildet das Fundament für die experimentelle Verbindung von Leerstellenunordnung und MVB, die sich in den aktuell verfügbaren Daten stark andeutet.