Design rules, local structure and lattice-dynamics of phase-change materials for data storage applications [Elektronische Ressource] / Alexander Dominic Andre Lencer

Alexander Dominic André Lencer

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 21 Mo

Extrait

DesignRules,LocalStructureandLattice-Dynamicsof
Phase-ChangeMaterialsforDataStorageApplications
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
von
Diplom-Physiker
AlexanderDominicAndréLencer
aus
Mönchengladbach-Neuwerk
Berichter:
Universitätsprofessor Dr. Matthias Wuttig
Univessor Dr. Stefan Blügel
Tag der mündlichen Prüfung:
17. Dezember 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfügbar.Abstract
Ourmoderninformationsocietyischaracterizedbyasteadilyincreasingdemandforpowerful
datastoragedevices,whichcallsforthedevelopmentofinnovativestorageconcepts.Conse-
quently,memoriesbasedonphase-changematerialshaveattractedconsiderableinterestin
recentyears.esematerialscanreversiblybeswitchedbetweenanamorphousandacrys-
tallinestate.Sincebothphasesexhibitsigni cantlydi erentphysicalproperties,inparticular
re ectivityandconductivity,theyenableopticalandelectricalstorageapplications.However,
thepropertiesoftheemployedphase-changemateriallimittheperformanceofsuchdevices.By
now,onlyfewsuitablematerialshavebeenidenti edbyempiricalmeans. erefore,thepresent
workaimsatdevelopingatheoreticalunderstandingofthematerialphysicsofphase-change
materials.Itisdividedintofourparts.First,thecurrentstateofresearchisreviewed,which
motivatestheresearchquestionsthatthisworkisconcernedwith.
Inthesecondpart,resonantbondinginthecrystallinestateisidenti edasagenericproperty
ofphase-changematerialsbasedonexperimentalresultsonopticalpropertiesandcrystalstruc-
ture.Itcausesthecontrastbetweenthephasesthatisemployedinphase-changeapplications.
eresonanceisendangered,however,byPeierls-likeatomicdistortionsthatshi atomsoutof
thesymmetry-positionsofthecrystal.Bymeansofdensityfunctionaltheory-calculations,itis
shownthatinphase-changematerialstheresonancecharacterisweakenedbythesedistortions,
butprevails.Subsequently,thisnewlygainedunderstandingisemployedtodevelopadesign-
schemeforsuitablematerialsinformofamap.ecoordinatesofamaterial,whichre ect
theionicityandtendencytowardshybridizationofthebonding,enabletheidenti cationof
materialsthatarecharacterizedbyresonantbonding.emapsuccessfullylocatessuitable
materialsinacon nedregion.
isdesign-principle,itspredictions,butalsothelimitsofitsvalidityareinvestigatedin
thethirdpart. erefore,densityfunctionaltheory-calculationsareperformedonawide
rangeofmaterialsinordertostudyandtoquantifythestructureandthebonding.eresults
supporttheprincipalvalidityofthemapanditspredictionsregardingpropertytrends.Yet,
thecalculationsalsorevealsomee ectsthatarenotincorporatedinthesimplemap-scheme.
IIIAmongthesearevariationsinthedistortionpatternsinthenon-binaryphase-changematerials
whicharetracedbacktothelocalstructureinthefourthpartofthisthesis.Moreover,the
volume-orpressure-dependence,respectively,ofthestructureandthebondingiscalculated
anddiscussed.Finally,thepotentialenergysurfaceisinvestigatedtogaininsightnotonlyinto
thestaticdistortions,butalsointothelattice-dynamics.Kurzfassung
ÜbersetzungdesenglischenOriginaltitels:Designregeln,lokaleStrukturundGitterdynamik
vonPhasenwechselmaterialienfürDatenspeicheranwendungen
DerstetigsteigendeBedarfunserermodernenInformationsgesellscha?anleistungsfähi-
genDatenspeichernerfordertdieEntwicklunginnovativerSpeicherkonzepte.Daherhaben
sichneuartigeSpeicheraufderGrundlagevonPhasenwechselmaterialienindenFokusder
Forschunggeschoben.DieseMaterialienkönnenlokalinnerhalbkürzesterZeitreversibel
zwischeneineramorphenundeinerkristallinenPhaseumgeschaltetwerden.Somitlassen
sichverschiedeneZuständeunterscheiden,dabeidePhasenstarkvoneinanderabweichende
physikalischeEigenscha?enaufweisen.InsbesondereRe ektivit ätundelektrischeLeitfähigkeit
sindhierzunennen,wodurchAnwendungeninoptischenundelektrischenSpeichernmöglich
werden.AllerdingslimitierendieEigenscha?endesjeweilseingesetztenPhasenwechselma-
terialsdieLeistungsfähigkeitsolcherSpeicher.NurwenigegeeigneteMaterialiensindbisher
empirischidenti ziertworden.DievorliegendeArbeitbefasstsichdahermitdemVerst ändnis
dereinzigartigenMaterialphysikvonPhasenwechselmaterialien.Siegliedertsichdabeiin
vierTeile.ImerstenTeilwirdeineZusammenfassungdesbisherigenStandsderForschung
präsentiert.HierausergebensichdiewesentlichenFragestellungenderMaterialentwicklung,
dieindieserArbeitbehandeltwerden.
ImzweitenTeilwirdaufderGrundlagevonexperimentellenResultatenzurStrukturundzu
denoptischenEigenscha?endasAu retenvonresonantenBindungeninderkristallinenPhase
alscharakteristischesMerkmaldieserMaterialfamilieidenti ziert,welchesf ürdenausgenutz-
tenKontrastzischendenPhasenverantwortlichist.ResonanteBindungenstehenjedochinKon-
kurrenzzuPeierls-artigenVerzerrungen,welchedieAtomeausdenSymmetriepositionender
Kristallstrukturauslenken.AufderGrundlagevonrechnergestütztenDichtefunktionaltheorie-
Rechnungen(DFT)zeigtsichjedoch,dassbeiPhasenwechselmaterialiendiecharakteristischen
Eigenscha?envonResonanzbindungendadurchnichtvollständigaufgehobenwerden.Ausdie-
semVerständniswirdeineDesignregelinFormeinerKarteentwickelt.AusdenKoordinaten,
welchefürdieIonizitätderBindungunddieWahrscheinlichkeitvonHybridisierungstehen,
VergibtsichdabeidiezuerwartendeAusprägungvonResonanzeigenscha?eneinesMaterials.
DieKartelokalisiertdiebisdatoidenti ziertenPhasenwechselmaterialienerfolgreichineinem
engbegrenztenBereich.
ImdrittenTeilwerdendieseKarte,ihreAussagenunddieGrenzenIhrerGültigkeitmittels
DFT-Rechnungenbeleuchtet.DazuwerdenmehrereMaterialienhinsichtlichihrerStruk-
turundderEigenscha?enihrerBindungenuntersucht.DieErgebnissebestätigendabeidie
grundsätzlicheGültigkeitderKartesowieihrerVorhersageninBezugaufTrendsindenMate-
rialeigenscha?en.EszeigensichjedochauchE ekte,dieineinerKartenichtber ücksichtigt
werdenkönnen.DarunterfallenVariationenindenatomarenVerzerrungendermehrkom-
ponentigenMaterialien,welcheimviertenTeilaufdielokaleStrukturzurückgeführtwerden.
DarüberhinauswirdderEin ussvonVolumen-bzw.Druck änderungenaufdieStrukturund
dieBindungenberechnetunddiskutiert.DievorliegendeArbeitschließtmitderUntersuchung
deratomarenPotentiallandscha ,welche überdiestatischenVerzerrungenhinausEinblicke
indieGitterdynamikgibt.Table of Contents
. Introduction ?
. Phase-ChangeMemories:MaterialAspectsofaFutureTechnology ?
. . eCrystallinePhase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ?
. . FromtheCrystallinetotheAmorphousPhase . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
. . . GlassFormation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ?ƒ
. . . GlassRigidityandBondConstraint eory . . . . . . . . . . . . . . ??
. . . Pressure-InducedAmorphization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
. . eAmorphousPhase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
. . . Atomicstructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
. . . ElectronicStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ?ƒ
. . . ElectricalProperties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.ƒ. CrystallizationofanAmorphousBit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.ƒ. . Classical eoryofCrystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.ƒ. . eUmbrella- ipModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.ƒ. . EvolutionofRingStatisticsduringthePhaseTransition. . . . . . . ??
.¢. ApplicationsemployingPhase-ChangeMaterials. . . . . . . . . . . . . . . . ??
.¢. . OpticalStorage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.¢. . ElectronicStorage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.¢. . OtherApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ƒ?
. ResonantBondingandtheDesignofPhase-ChangeMaterials Ģ
. . GenericOpticalPropertiesofPhase-ChangeMaterials . . . . . . . . . . . . Ģ
. . ResonantBonding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¢?
. . ImpactofStaticAtomicDistortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¢
.ƒ. AMapforPhase-ChangeMaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.ƒ. . eConceptofStructureMaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.ƒ. . ApplicationtoPhase-ChangeMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . ??
VIITableofContents
.¢. ConsequencesofResonantBondingandTrendsontheMap. . . . . . . . . ?ƒ
.¢. . Lattice-DynamicsandAnharmonicity . . . . . . . . . . . . . . . . . ?ƒ
.¢. . PhaseTransitionKinetics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
.¢. . ElectricalConductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
. . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
ƒ. StudyoftheMapbyDensityFunctionaleoryCalculations ??
ƒ. . MaterialSelectionandMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??
ƒ. . . CrystallineModels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ?¢
ƒ. . . TechnicalDetailsoftheCalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . ?¢
ƒ. . ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ??