Ab initio investigation of disordered crystalline phase-change materials

Xu, Yazhi; Mazzarello, Riccardo (Thesis advisor); Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Die Kontrolle des Unordnunsgrades in Chalkogenid-Phasenwechselmaterialien (Phase-Change Materials - PCMs) ist von entscheidender Bedeutung für die Verwendung in Datenspeicherung und neuromorpher Datenverarbeitung. Unterschiedliche Ausprägungen der Unordnung zwischen der amorphen und der kristallinen Phase von PCMs resultieren in einem starken Kontrast in den elektronischen Eigenschaften, welcher zur Speicherung digitaler Informationen genutzt werden kann. Unter einem externen elektrischen Impuls kristallisieren die prototypischen PCM-Legierungen Ge-Sb-Te auf kurzen Zeitskalen zu einem metastabilen, Kochsalzartigen Kristall. In dieser Phase ist eine große Menge stöchiometrischer Leerstellen in einem der beiden Untergitter vorhanden, und die elektronischen Zustände in der Nähe des Fermi-Niveaus sind in selten auftretenden Konfigurationen lokalisiert, die aus Leerstellen Ansammlungen von Leerstellen. In dieser Arbeit werden Ab-Initio-Simulationen und Transportexperimente kombiniert, um die genannten Konzepte von der Ge-Sb-Te-Legierung auf die binäre Sb2Te3-Verbindung auszuweiten. Anschließend werden systematisch die strukturelle Stabilität und die elektronischen Eigenschaften der Kochsalzphase von ternären IV1V2VI4-Verbindungen und binären V2VI3-Verbindungen untersucht. Es wird gezeigt, dass die strukturelle Stabilität dieser Phase hauptsächlich durch die relative Größe der Kationen und den Grad der sp3-Hybridisierung bestimmt wird. Durch Rechnungen mit hohem Durchsatz werden nahezu 50 stabile Legierungen identifiziert. Die meisten dieser Verbindungen weisen Anderson-Lokalisierung auf. Es wird gezeigt, dass neben der Unordnung der Leerstellen auch strukturelle Abweichungen vom perfekten Kochsalzgitter und Unterschiede in der Elektronegativität der konstituierenden Elemente die Lokalisierungseigenschaften beeinflussen. Schließlich werden die Struktur und die elektronischen Eigenschaften von realistischen, großmaßstäblichen Modellen von GeSb2Te4 untersucht, welche durch Ab-Initio-Kristallisationsrechnungen der amorphen Struktur und anschließende Simulation eines Tempervorgangs modelliert werden. Die Simulationen bestätigen, dass Leerstellenansammlungen die Hauptquelle der Unordnung sind, die den für den Transport relevanten Ausläufer des Valenzbandes beeinflusst. Darüber hinaus zeigen die Simulationen, dass andere Arten von ausgedehnten und punktuellen Defekten zur Anderson-Lokalisierung im Leitungsband führen. Dazu gehören Antisite-Defekte und Sb-reiche Regionen, wie z. B. Sb-Ketten. Diese Ergebnisse liefern nicht nur eine umfassende Beschreibung der Unordnung in GeSb2Te4, sondern sind auch von großer Relevanz für ungeordnete, kochsalzartige Chalkogenide, die n-Typ-Selbstdotierung aufweisen.