Crystallization kinetics of phase change materials for novel data storage concepts [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Michael Klein

© Michael Klein

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 35 Mo

Extrait

Crystallization Kinetics
of Phase Change Materials
for Novel Data Storage Concepts
Von der Fakultat fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der RWTH
Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker Michael Klein
aus Wurselen
Berichter: Universitatsprofessor Dr. Matthias Wuttig
Universitatsprofessor Dr. Markus Morgenstern
Tag der mundlichen Prufung: 23. November 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfugbar.I am among those who think that science has great beauty.
A scientist in his laboratory is not only a technician:
He is also a child placed before natural phenomena which impress him like a fairy tale.
Marie Curie
(French physicist, 1867 - 1934)ivAbstract
After a general de nition of phase change materials and a description of their de ning
properties, such as the possibility to switch between two room temperature stable phases
at high speed and a contrast in optical and electrical properties, the history of phase
change research is shortly outlined. In this context also already realized and possible
technological applications are presented. These have been a major driving force of phase
change research. Until now, phase change materials have been employed in rewritable
optical media, but the realization of commercial electronical memories is within reach.
For both sorts of applications, the crystallization kinetics is of fundamental importance.
In any kind of application the contrast of the material’s amorphous and crystalline phase
is exploited. The device speed is governed by the speed of crystallization, as this is
the slowest of the switching processes. In many experimental techniques, the nucleation
and growth part of the crystallization process cannot be separated. This information is,
however, crucial for many applications, as due to the presence of crystalline surroundings,
the nucleation part of crystallization may only play an inferior role. Crystallization can
be described with the classical thermodynamical concept for phase transitions introduced
by Gibbs. Two models to describe the crystallization kinetics are presented in this study,
the Johnson-Mehl-Avrami-Kolomogorov model and the Kissinger model. The results of
both models are then connected, in order to be able to compare the experimental results
obtained by both of them later on.
Starting with calorimetry measurements and temperature dependent resistivity measure-
ments, the crystallization process of a large variety of materials is reviewed. With a com-
bination of the precise furnace of the calorimeter and imaging techniques like atomic force
microscopy and optical microscopy, single crystals are experimentally observed. Thus,
nucleation and crystal growth are unraveled.
Within this study the data base on crystallization kinetics of germanium-antimony-
vvi
tellurium alloys is vastly enhanced. Thus, it is possible to derive stoichiometrical trends
for the crystallization temperature, the activation barriers for growth and steady state
nucleation, as well as the Kissinger activation barrier. This can be used to tailor phase
change materials according to the needs of applications.
Finally, this work moves its focus to the e ect of the generally oxidized surface of the
measured samples. It will be shown that for some materials the surface oxidation leads
to an earlier crystallization of a layer close to the material’s surface. Afterwards, the
inuence of capping layers preventing the surface oxidation will be shown. The e ect
of a step-like transition in temperature dependent resistivity measurements is explained
with a simple model based on a parallel circuit. The measurements on the crystallization
kinetics under a capping layer reveal that there is a strong e ect of the capping layer in
regards of the crystal growth velocity and the nucleation rate. Hence, many new research
opportunities open up.Kurzfassung
Deutsche Ubersetzung des Originaltitels: Kristallisationskinetik von Phasenwechsel-
"
materialien fur neuartige Datenspeicherkonzepte\
Nach einer generellen Denition des Begri es Phasenwechselmaterialien\ und der Be-
"
schreibung ihrer de nierenden Eigenschaften wird kurz die Entwicklungsgeschichte der
Forschung an Phasenwechselmedien erortert. Zu diesen Eigenschaften gehort zum Beispiel
die Moglichkeit mit hoher Geschwindigkeit zwischen zwei, bei Raumtemperatur stabilen
Phasen zu wechseln und der Kontrast in optischen und elektrischen Eigenschaften. In
diesem Zusammenhang werden ebenfalls schon realisierte und noch mogliche Anwendun-
gen aufgefuhrt. Diese Anwendungen waren eine starke treibende Kraft fur die Forschung
an Phasenwechselmaterialien. Bisher wurden Phasenwechselmaterialien ausschlie lich in
wiederbeschreibbaren optischen Medien eingesetzt. Allerdings steht die Realisierung von
elektronischen Datenspeichern kurz bevor.
Fur beide Arten der Anwendung ist die Kristallisationskinetik von fundamentaler Wich-
tigkeit. In jeder Art der Anwendung wird der Kontrast zwischen amorpher und kristalliner
Phase ausgenutzt. Die Geschwindigkeit der realisierten Bauteile wird durch die Kristal-
lisationsgeschwindigkeit limitiert, da dies der langsamste der Phasenwechselprozesse ist.
In vielen experimentellen Techniken konnen der Nukleations- und der Wachstumsteil der
Kristallisation nicht getrennt werden. Diese Information ist jedoch fur viele Anwendungen
extrem wichtig, da durch eventuell vorhandene kristalline Rander, der Nukleationsteil nur
eine untergeordnete Rolle spielt. Kristallisation kann im Allgemeinen mit dem klassischen
thermodynamischen Konzept fur Phasenumwandlungen von Gibbs beschrieben werden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Modelle fur die Beschreibung der Kristallisati-
onskinetik vorgestellt, das Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov Modell und das Kissinger
Modell. Die Ergebnisse beider Modellvorstellungen werden verbunden, um so die Moglich-
keit zu erhalten die experimentellen Resultate, die durch beide Methoden erlangt werden,
spater vergleichen zu konnen.
viiviii
Beginnend mit kalorimetrischen Messungen und temperaturabhangigen Widerstandsmes-
sungen, werden die Kristallisationsprozesse einer gro en Auswahl von Materialen unter-
sucht.
Mit der Kombination des sehr prazisen Kalorimeterofens und abbildenden Techniken wie
Rasterkraftmikroskopie und optischer Mikroskopie konnen einzelne Kristalle beobachtet
werden. Auf diese Weise besteht die Moglichkeit Nukleation und Kristallwachstum ge-
trennt aufzulosen.
Innerhalb dieser Arbeit wird die Datenbasis der Kristallisationskinetik von Germanium-
Antimon-Tellur-Verbindungen erheblich erweitert. Daher wird es moglich stochiometrische
Tendenzen fur die Kristallisationstemperatur, die Aktivierungsbarrieren fur Kristallwachs-
tum und die stationare Nukleationsrate, sowie fur die Kissinger Aktivierungsbarriere zu
bestimmen. Dies kann ausgenutzt werden, um Phasenwechselmaterialien nach dem Bedarf
von Anwendungen ma zuschneidern.
Letztendlich wird sich diese Arbeit auf den Einuss der oxidierten Ober ache der gemesse-
nen Proben konzentrieren. Es wird gezeigt, dass fur einige Materialien, die Oberachenoxi-
dation zur Formierung einer fruher-kristallisierenden Schicht nahe der Probenoberache
fuhren kann. Anschlie end wird die Auswirkung von Schutzschichten, um eben diesen Ef-
fekt zu verhindern, geschildert.
Der E ekt eines in mehreren Stufen ablaufenden Ubergangs in den temperaturabhangi-
gen Widerstandsmessungen, wird mit Hilfe eines einfachen Modells, basierend auf einer
Parallelschaltung, erklart. Messungen der Kristallisationskinetik von Proben, welche mit
einer Schutzschicht versehen wurden, decken auf, dass diese Schutzschicht einen gro en
Einuss auf die Kristallisationsgeschwindigkeit und die Nukleationsrate hat. Dies ero net
viele neue Aussichten fur interessante Forschung.Contents
Titlepage i
Abstract v
Kurzfassung vii
Contents ix
1 Introduction 1
1.1 Phase change materials: challenges and opportunities . . . . . . . . . . . . 1
1.2 History of phase change research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Scope of this study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Theoretical background 9
2.1 The amorphous phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 From liquid to glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Temperature dependence of viscosity in undercooled liquids . . . . . 10
2.2 Theory of phase changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1.1 Nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1.2 Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Models on transformation processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2.1 Kissinger analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2.2 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov model . . . . . . . . . 18
2.2.2.3 Connection of Kissinger and JMAK models . . . . . . . . 23
2.3 Experimental setups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 The sputter system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1.1 Principles of sputter dep