Application of p electron theory to predict new materials for rewritable optical recording [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Daniel Muturi Wamwangi

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Application of p electron theory to predict new
materials for rewritable optical recording
Von der Fakultat fur Mathematik, Informatik und˜ ˜
Naturwissenschaften der Rheinisch-Westfalischen Technischen˜
Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
Vorgelegt von
Daniel Muturi Wamwangi
M.Sc.
aus Nairobi, Kenia
Berichter: Universitatsprofessor Dr. Matthias Wuttig˜
Universita˜tsprofessor Dr. Jean Geurts
Tag der mundlichen Prufung: 28. Mai 2004˜ ˜
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der
Hochschulbibliothek online verfugbar˜Gedruckt mit Unterstut˜ zung des Deutschen Akademischen Austauschdientes
2Contents
List of Tables V
List of Figures VI
1 Introduction 2
2 Technological aspects of phase change recording 4
2.1 Main issues in optical data storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Review of the current trends in optical data storage . . . . . . . . . 8
2.1.2 Material design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Statement of the problem and objectives of this work. . . . . . . . . 15
2.1.4 Summary and Layout of Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Theoretical background 17
3.1 Thermal Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.1 Evaporation of alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Scattering of X-rays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 X-ray difiraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Bragg equation and reciprocal lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 X-ray re ectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Kinetics of crystallization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 Nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2 Crystal growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.3 Johnson-Mehl-Avrami (JMA model) . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 Lattice energy formalisms to predict crystal structure . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1 Structural relaxations and DFT calculations . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 Peierls efiect to explain solid structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
IContents
3.6 Mechanical stress induced in thin fllms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Experimental Methods 49
4.1 Thermal Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 Knudsen efiusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Composition determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Secondary Neutral Mass Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Preparation of reference standards for quantiflcation. . . . . . . . . 56
4.4 Four- point probe method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.1 Activation energy for crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.5 The Philips X’pert MRD system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5.1 X-ray re ectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.2 X-ray difiraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6 Optical spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6.1 Interband transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.6.2 Spectroscopic ellipsometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.7 Static tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.8 Atomic Force Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.9 Mechanical stress by wafer curvature method . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Results and discussion 77
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Generalization of concept to AuInTe , AuSnTe and AuSbTe . . . . . . . 782 2 2
5.2.1 AuInTe composition by SNMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792
5.2.2 Electrical characterization of AuInTe . . . . . . . . . . . . . . . . . 792
5.2.3 Stress induced upon crystallization of AuInTe . . . . . . . . . . . . 812
5.2.4 Structure of AuInTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822
5.2.5 Structural relaxation of AuInTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852
5.2.6 Density change upon crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.7 Crystallization of AuInTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912
5.2.8 Optical characterization of AuInTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912
5.2.9 Characterization of AuSnTe alloy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922
5.2.10 Composition of AuSnTe by SNMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942
5.2.11 Electrical characterization of AuSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . 942
5.2.12 Structure of AuSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962
5.2.13 Theoretical determination of the structure of AuSnTe . . . . . . . 992
IIContents
5.2.14 Temperature dependence of density for AuSnTe . . . . . . . . . . . 1002
5.2.15 Crystallization and recrystallization of AuSnTe . . . . . . . . . . . 1012
5.2.16 Optical characterisation of AuSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042
5.2.17 Characterisation of AuSbTe alloy for phase change applications . . 1042
5.2.18 Stoichiometry of AuSbTe by SNMS . . . . . . . . . . . . . . . . . 1062
5.2.19 Electrical characterization of AuSbTe . . . . . . . . . . . . . . . . 1062
5.2.20 Stress change upon annealing AuSbTe . . . . . . . . . . . . . . . . 1072
5.2.21 Structure of AuSbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082
5.2.22 Conflguration entropy for the simple cubic and rock salt structure . 113
5.2.23 Density and thickness change of AuSbTe . . . . . . . . . . . . . . 1152
5.2.24 Amorphisation of AuSbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1192
5.2.25 Recrystallization of AuSbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212
5.2.26 Optical characterization of AuSbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . 1292
5.3 AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1292
5.3.1 Composition determination of AgSnTe by SNMS . . . . . . . . . . 1302
5.3.2 Electrical characterization of AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . 1302
5.3.3 Temperature dependent stress determination of AgSnTe . . . . . . 1312
5.3.4 Structure of AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1322
5.3.5 Density change of AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1342
5.3.6 Amorphisation of AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372
5.3.7 Crystallization of AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1422
5.3.8 Recrystallization of AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1432
5.3.9 Optical characterization of AgSnTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442
5.4 Characterization of In SbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1463 2
5.4.1 Chemical determination of In SbTe by SNMS . . . . . . . . . . . . 1483 2
5.4.2 Electrical properties of In SbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1503 2
5.4.3 Mechanical stresses upon crystallization of In SbTe . . . . . . . . . 1513 2
5.4.4 Structure of In SbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1523 2
5.4.5 Density change of In SbTe upon crystallization . . . . . . . . . . . 1553 2
5.4.6 Recrystallization of In SbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1563 2
5.4.7 Optical characterization of In SbTe . . . . . . . . . . . . . . . . . 1603 2
5.5 Summary and conflrmation of the p electron concept . . . . . . . . . . . . 162
5.6 Expansion of volume in Chalcogenide alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
IIIContents
6 Conclusion 168
6.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Bibliography 173
Acknowledgement 181
Lebenslauf 183
IVList of Tables
2.1 Application of blue laser technology for storage market . . . . . . . . . . . 10
2.2 History of phase change material research for an optical memory.. . . . . . 14
5.1 The experimental and simulated 2? positions of the Bragg re exes for the
AuInTe alloy. The error in the ¢2? deviations decreases with increasing2
2?, this is attributed to the higher resolution of the difiractometer. . . . . . 84
5.2 The atomic positions of Te, Au and Sb in the AuInTe . The atomic posi-2
tions are obtained from the crystallographic data handbook [1]. . . . . . . 85
5.3 The experimental and theoretical 2? values and their deviations for
AuSnTe alloy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982
5.4 The atomic positions of Te, Au and Sb in the AuSbTe . . . . . . . . . . . 1102
5.5 Summary of T and E values for several alloys. . . . . . . . . . . . . . . . 151c a
5.6 The experimental and simulated 2? positions of the Bragg re exes for the
In SbTe alloy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1533 2
5.7 Average number of s and p valence electrons for Ag- and Au-based Te alloys164
6.1 Theaveragenumberofsandpelectronsasaparametertopredictstructure
of suitable phase change alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.2 Summary of T =T valu