Crystallization kinetics of phase change materials on a ns-timescale at elevated temperatures

• Kristallisationskinetik von Phasenwechselmaterialien auf einer ns-Zeitskala bei erhöhten Temperaturen

Kaldenbach, Andreas Christian; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien haben in den letzten Jahren bzw. Jahrzenten großes Interesse erlangt. Dies ist darauf zurück zuführen, dass Phasenwechselmaterialien nicht nur in der optischen Datenspeicherung Anwendung finden, sondern auch im Bereich der elektrischen Random Access Memories in PCs von großer Bedeutung sind. Sie sind einer der aussichtsreichsten Kandidaten für zukünftige Speicher-Technologien und werden sehr wahrscheinlich FLASH-Speicher oder sogar DRAM ersetzen. Erste Prototypen elektrischer Speicher wurden bereits entwickelt und es existieren schon einige Produkte in Nischenmärkten, die auf der Basis von Phasenwechselmaterialien arbeiten. Eines der wichtigsten Merkmale von Phasenwechselmaterialien ist die Nicht-Flüchtigkeit, die durch eine dauerhafte strukturelle (Um-)Ordnung erreicht wird. Zum jetzigen Zeitpunkt erfordert der DRAM eine elektrische Auffrischung der gespeicherten Informationen in bestimmten Perioden. Dies bedeutet, dass die Informationen bei Abschaltung der Stromversorgung verloren gehen und der PC beim Neustart hochgefahren werden muss. Wenn also der Random Access Memory auf Phasenwechselmaterialien basieren würde, wäre ein Hochfahren des PCs nicht mehr nötig. Allerdings ist die Nicht-Flüchtigkeit nicht der einzige Grund für das wachsende Interesse an diesen Materialien. Ihr schnelles Umschalten innerhalb von wenigen Nanosekunden ist ein weiteres attraktives Phänomen. Es findet zwischen einem amorphen und kristallinen Zustand statt, welcher einen hohen elektrischen Widerstand und eine niedrige Reflektivität bzw. einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine hohe Reflektivität besitzt. Jedoch ist der grundlegende Mechanismus der Kristallisation in diesen Materialien noch nicht vollständig erschlossen. Bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur kann ein Phasenwechsel nicht beobachtet werden. Daher sind Phasenwechselmaterialien langzeit stabil. Bei erhöhten Temperaturen tritt jedoch ein schnelles Umschalten auf einer Nanosekunden Zeitskala auf. Da Phasenwechselmaterialien innerhalb des Temperaturbereichs zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Schmelzpunkt eine extrem schnelle Schaltgeschwindigkeit besitzen, ist es schwierig, diesen Temperaturbereich der schnellen Kristallisation zu erschließen. Dies ist auch der Grund, weshalb bislang keine Daten hierzu veröffentlicht wurden. In der Regel wird die Datenlücke mit einer Extrapolation von niedrigen zu hohen Temperaturen geschlossen, aber die Bedeutung dieser Extrapolation ist fraglich. Deswegen ist eine umfassende Untersuchung der temperaturabhängigen Keimbildung und des temperaturabhängigen Wachstums sehr wünschenswert. Diese Arbeit hat das Ziel, einen Beitrag zur Forschung der Kristallisationskinetik zu geben, so dass Extrapolationen fundierter oder sogar überflüssig werden. Es wird daher zu Beginn eine kurze Einführung in Phasenwechselmaterialien gegeben, in welcher die besonderen Eigenschaften dieser Materialklasse vorgestellt werden. Anschließend wird ein theoretischer Hintergrund zur Kristallisationskinetik dargelegt, der Einblicke in die theoretischen Modelle bietet, welche die Grundlagen der genannten Extrapolationen darstellt. In den vergangenen Jahrzehnten gab es viele Versuche, die schnelle Kristallisationskinetik zu erfassen. Hierzu wird eine ausgewählte Diskussion der Konzepte und Instrumente, die entwickelt wurden, um die Kristallisation zu untersuchen, präsentiert. Es wird jedoch auch gezeigt, dass aus den unterschiedlichsten Gründen keiner der vorgestellten Ansätze in der Lage ist, die schnelle Kristallisationskinetik vollständig zu untersuchen. Es ist also unabdingbar, einen anderen Messplatz und ein anderes Konzept zu entwickeln. Deshalb wird im Anschluss der Phase-change Optical Tester (POT) als Zugang zur schnellen Kristallisationskinetik erklärt. Das Konzept, dass in Kombination mit POT angewendet wird, wird nachfolgend erläutert. Zu beachten ist allerdings, dass der Schwerpunkt der Forschung in dem Gebiet der Kristallisationskinetik im Rahmen dieser Arbeit auf das Kristallwachstum gelegt wird. Deshalb wird das Konzept in Kombination mit POT auf das Phasenwechselmaterial AgInSbTe angewendet und mit theoretischen Modellen verglichen. Leider ist POT alleine nicht in der Lage, die strukturelle Umordnung von Phasenwechselmaterialien, die während des schnellen Schaltvorgangs auftreten, zu untersuchen. Daher ist eine Überprüfung der durchgeführten Experimente mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erforderlich, da TEM ein leistungsfähiges Gerät zur lokalen strukturellen Untersuchung ist. Diese Arbeit enthält abschließend eine Zusammenfassung, in der die Ergebnisse zusammengetragen werden und zukünftige Experimente, die mit POT, den experimentellen Konzepten und TEM durchgeführt werden können, erklärt werden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut [131110]
• Fachgruppe Physik [130000]