Tuning charge transport in crystalline phase-change materials

  • Beeinflussung des Ladungstransports in kristallinen Phasenwechselmaterialien

Schäfer, Tobias; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Siegrist, Theo (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Unser modernes Leben hängt zu großen Teilen von Mikrochips ab — seien es Supercomputer oder einfache elektronische Schalteinheiten oder auch das sich verbreitende "Internet der Dinge". Während seit Jahrzehnten die Rechenleistung durch fortschreitende Miniaturisierung dem steigenden Bedarf angepasst wird ("Moore’s law"), nähert sich diese Verkleinerung nun quantenmechanischen Grenzen und wird absehbar zu ihrem Ende kommen. Gleichzeitig wird (Energie-) Effizienz ein immer wichtigeres Thema. Da auch in Zukunft der Bedarf an immer mehr und komplexeren Berechnungen weiter steigen wird, ist nach der bisherigen evolutionären Entwicklung ein revolutionärer Bruch abzusehen. Aller Voraussicht nach wird Teil dieser technologischen Revolution sein, dass nicht mehr eine Art von Computerchips für alle Arten von Aufgaben genutzt werden wird, sondern grundlegend verschiedene Rechenprinzipien für spezifische Aufgaben: Mit der Entwicklung des Festkörperspeichers entfällt der Zwang zur Trennung von Datenspeicher- und Recheneinheit, sodass nun kombinierte Module die Auswertung großer Datenmengen beschleunigen können. Für numerische Rechnungen können Analogrechner bedeutend effizienter arbeiten als der klassische Digitalrechner, und neuromorphe (also in der Funktion dem Gehirn nachempfundene) Rechner haben ihre Stärken in der Mustererkennung. Neben diesen elektronischen Computern könnte auch der quantenmechanische Spin der Ladungsträger in Zukunft für Berechnungen genutzt werden: Einerseits, weil das Rechnen mit Spins bedeutend energieeffizienter sein kann als normale Computer. Andererseits bietet sich der quantenmechanische Spin auch für die Realisierung von Quantencomputern an, die vor allem das Wiederholen derselben Aufgabe mit verschiedenen Ausgangsparametern durch Zusammenfügen in eine einzige Berechnung sehr effizient ausführen können. Diese sich parallel entwickelnden revolutionär neuen Konzepte hängen maßgeblich von der Entwicklung und Verfügbarkeit neuer Materialien ab. Diese Materialien müssen Daten dauerhaft durch einen Materialparameter wie den elektrischen Widerstand speichern können, müssen sich aber auch in sehr kurzer Zeit mit neuen Daten beschreiben lassen. Für analoge und neuromorphe Rechnungen und Daten müssen darüber hinaus graduelle Veränderungen des Widerstands möglich sein. Materialien für Spincomputer können hingegen durch Dotierung eines halbleitenden Materials mit ferromagnetischen Materialien erzeugt werden, während sich die Eigenschaften von topologischen Isolatoren für Quantencomputer nutzen lassen. Interessanterweise können Phasenwechselmaterialien (PCMs) und verwandte Materialien diese breite Palette an Eigenschaften abdecken, wobei insbesondere die schnelle Beschreibbarkeit bei gleichzeitiger Haltbarkeit der Daten in CD-RWs und DVD-RWs bereits in der Vergangenheit technisch für die Datenspeicherung genutzt worden ist. Die elektronischen Eigenschaften vieler realer PCMs werden durch Fehlstellen bestimmt, wohingegen die ideale Struktur der Materialien Isolatoren mit relativ schmaler Bandlücke erwarten ließe. In Materialien wie GeSb2Te4 besetzt das Tellur ein Untergitter des Kristalls, während auf dem anderen Untergitter jeder vierte Platz frei bleibt, also von einer Leerstelle besetzt wird. Aus vorherigen Arbeiten ist bekannt, dass die Anordnung dieser Leerstellen einen massiven Einfluss auf die Mobilität freier Ladungsträger hat. Doch waren die dort untersuchten Materialien nanokristallin und es wurde parallel zur Veränderung der Mobilität ein Phasenübergang zwischen zwei Kristallstrukturen beobachtet — wobei die beiden strukturellen Beobachtungen prinzipiell ebenfalls die elektronischen Eigenschaftsveränderungen erklären könnten. In einer Kooperation im Rahmen dieser Arbeit gelang das Variieren der elektrischen Mobilität bis in den isolierenden Bereich auch in Proben, deren Kristallite um Größenordnungen zu groß sind, um maßgeblichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften zu haben und die für alle elektronischen Zustände in der kubischen Kristallstruktur bleiben. Der Übergang von metallischen zu isolierenden Eigenschaften in PCMs wird in der Literatur oft als reiner Anderson-Übergang beschrieben, während die meisten anderen Materialien einen Mott-Anderson-Übergang zeigen. Diese Arbeit schließt sich dem an, kann aber durch Efros-Shklovskii-Hopping und den direkten Nachweis eines Coulomb-Gaps auch leichte Korrelationseffekte in dem untersuchten SnSb2Te4 nachweisen. Doch nicht nur die Mobilität der Ladungsträger sondern auch ihre Anzahl wird durch die Leerstellen bestimmt. Allerdings spielen hier nicht die oben beschriebenen "stöchiometrischen" Leerstellen sondern zusätzliche spontan gebildete die Hauptrolle (Selbstdotierung). Man würde erwarten, dass sich die Anzahl der Leerstellen und damit die Anzahl der Ladungsträger durch das Verhältnis aus Kationen und Anionen verändern lassen. Allerdings führt dieser Ansatz in den meisten PCMs nur zu eingeschränkten Veränderungen in den elektronischen Eigenschaften, wie Experimente an Ge1-δTe1+δ und (SnSb2)1-δ(Te4)1+δ zeigen. Auch das Dotieren wie in der klassischen Halbleiterphysik ist nur eingeschränkt erfolgreich, da dieses Verfahren zwar unter gewissen Voraussetzungen die Zahl der Ladungsträger erhöhen kann, gleichzeitig allerdings die Mobilität stark verringert. Ganz anders verhalten sich Bismut-haltige PCMs: Sowohl die partielle isovalente Ersetzung von Antimon durch Bismut in Sn(Bi,Sb)2Te4 als auch die Veränderung des Anionen-zu-Kationen-Verhältnisses in (SnBi2)1-δ(Te4)1+δ erlauben die Veränderung der Ladungsträgerdichte um Größenordnungen. Zusätzlich werden sowohl elektronen- als auch löcherleitende Materialien möglich, während "normale" PCMs immer Lochleiter sind. Bemerkenswerterweise verhalten sich Valenz- und Leitungsband in ihren elektronischen Eigenschaften sehr ähnlich. In Sn(Bi,Sb)2Te4 deutet sich des Weiteren ein möglicher Oberflächenzustand an, allerdings lassen weder die parallel aktiven Volumenleitfähigkeiten noch die verwendeten Messmethoden eine zweifelsfreie Bestimmung der topologischen Natur dieses Zustands zu. Simulationen zeigen, dass in "normalen" PCMs meist nur eine Art von Defekten energetisch relevant ist. In SnBi2Te4 dagegen kann sich eine Vielzahl an Defekten unterschiedlicher Typen ausbilden, was die flexible Veränderbarkeit der Ladungsträgerdichten motiviert. Diese Vielzahl möglicher Defekte bedingt nicht nur Dotierbarkeit sondern auch die Veränderbarkeit der Ladungsträgerdichte durch Wärmebehandlung. "Normale" PCMs können dagegen durch Tempern fast ausschließlich ihre Ladungsträgermobilität erhöhen. Für alle untersuchten Materialien führt eine Erhöhung der Ladungsträgerdichte zu einer tendenziellen Reduzierung ihrer Mobilität, was durch den zugrundeliegenden Mechanismus der Dotierung mit Fehl- und Leerstellen verständlich wird. Zusammengefasst können Phasenwechselmaterialien eine bedeutende Rolle als Möglichmacher der anstehenden technologischen Revolutionen in der Informationstechnologie spielen. Allerdings ist beim Design der Materialien darauf zu achten, dass diese sich nicht wie Silizium oder andere klassische Halbleitermaterialien dotieren lassen, sondern erfolgreiche Dotierung meist über das Beeinflussen von Defektbildungsenergien und damit der Selbstdotierung erfolgen muss.

Einrichtungen

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

Identifikationsnummern

Downloads