Electronic and optical properties of phase change alloys studied with ab initio methods [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Wojciech Wełnic

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 26
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Electronic and Optical Properties of Phase
Change Alloys studied with ab initio Methods
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
Diplom-Physiker Wojciech Wel nic
aus Starogard Gdanski, Polen
Berichter: Universitatsprofessor Dr. Matthias Wuttig
Dr. Lucia Reining
Tag der mundlichen Prufung: 05. Juli 2006
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfugbar.Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen strukturellen und elektro-
nischen, bzw. optischen Eigenschaften sogenannter Phasenwechselmaterialien diskutiert.
Diese Verbindungen, wie z. B. GeTe, Ge Sb Te oder AgInSbTe, zeichnen sich durch einen2 2 5
schnellen Phasenub ergang zwischen amorpher und kristalliner Phase, der durch lokale Be-
strahlung mit einem Laserpuls oder durch Anlegen eines elektrischen Stroms erreicht wird,
aus. Hierbei andern sich lokal die optischen und elektronischen Eigenschaften des Ma-
terials. So nimmt z.B. die Re ektivit at in der amorphen Phase um bis zu 30% ab, was
einen Einsatz der Phasenwechselmaterialien in der optischen Datenspeicherung ermoglic ht.
Obwohl diese Materialien also bereits industriell genutzt werden, sind die physikalischen
Ursachen -sowohl fur die Kinetik der schnellen Umwandlungsprozesse, als auch fur die
Anderung der elektronischen und optischen Eigenschaften- nur wenig verstanden. Daraus
folgt, da die Materialauswahl fur die Anwendung in der Datenspeicherung lediglich nach
empirischen Kriterien erfolgt.
Diese Arbeit beschaftigt sich nun im wesentlichen mit dem Zusammenhang zwischen der
Struktur der Materialien und ihren optischen und elektronischen Eigenschaften. Ein bes-
seres Verstandnis dieser Eigenschaften truge insbesondere zu einer systematischeren Ma-
terialoptimierung von Phasenwechsellegierungen bei. Mit Hilfe von Methoden der theo-
retischen Festkorp erphysik, insbesondere der Dichtefunktionaltheorie und der Vielteilchen-
storungstheorie wird in dieser Arbeit ein Zusammenhang zwischen der Anderung der lokalen
atomistischen Struktur bei der Amorphisierung und der Anderung der elektronischen Eigen-
schaften hergestellt. Bei der Phasenwechsellegierung Ge Sb Te beobachtet man, da 1 2 4
die Germaniumatome, die in der kristallinen Phase oktaedrisch koordiniert sind, also
sechs nachste Nachbarn aufweisen, in der amorphen Phase eine tetraedrische Koordina-
tion annehmen. Die Dichtefunktionaltheorierechnungen zeigen, da solch eine Anordnung
sowohl energetisch gunstig ist als auch die experimentell beobachtete Massendichteand-
erung bei der Amorphisierung richtig beschreibt. Diese Anderung der Koordination fuhrt
zu starken Verschiebungen der elektronischen Energieniveaus. Insbesondere zeigt sich, da
die Valenzelektronen der Telluratome energetisch stark abgesenkt werden. In der kristalli-
nen Phase liefern diese Elektronen einen hohen Beitrag zur Zustandsdichte an der Fer-
mikante, wahrend sie in der amorphen Phase deutlich unterhalb des Ferminiveaus liegen.
Diese Energieabsenkung fuhrt zu einer O n ung der Bandluc ke in der amorphen Phase, im
Gegensatz zu gewohnlichen Halbleitern, wo man eine Verringerung der elektronischen Ban-
dluc ke im amorphen Zustand beobachtet. Dieser E ekt kann von gro em Nutzen bei der
zukunftigen Anwendung von Phasenwechselmaterialien als elektronischer Datenspeicher
sein. Hier kommt es bei der elektrischen Phasenumwandlung zum sogenannten \thresh-
old switching\ bei dem in der amorphen Phase zuerst Defektzustande von Leitungstragern
aufgefullt werden. Entlang dieser Defektzustande kommt es anschlie end zur Ausbildung
leitender Filamente von denen aus der Kristallisationsproze einsetzt.
iNeben den elektronischen Eigenschaften sind insbesondere die optischen Eigenschaften der
Phasenwechselmaterialien von gro er Bedeutung. Bisher fehlt fur diese Materialklasse eine
Erklarung fur den starken Unterschied in der optischen Absorption zwischen kristalliner
und amorpher Phase, der in anderen kovalent gebundenen Halbleitern wie z.B. Si oder GaAs
nicht beobachtet wird. Zur Untersuchung dieses optischen Kontrasts der beiden Phasen
werden Berechnungen der optischen Absorption der kristallinen und amorphen
von GeTe und Ge Sb Te mit zeitabhangiger Dichtefunktionaltheorie und Vielteilchen-1 2 4
storungstheorie durchgefuhrt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen wie sich die Anderung
der strukturellen und elektronischen Eigenschaften bei der Amorphisierung auf die optische
Absorption auswirkt. Das Spektrum der optischen Absorption wird in der amorphen Phase
breiter und ac her, was von den begleitend durchgefuhrten Infrarotspektroskopie- und El-
lipsometriemessungen veri ziert werden kann. Somit kann zum ersten Mal der Zusammen-
hang zwischen der lokalen, atomistischen Ordnung und der optischen Absorption gezeigt
werden. Eine tiefergehende Analyse der berechneten Daten liefert anschlie end die Er-
klarung fur die ungewohnlich starke Anderung der Absorption bei der Amorphisierung.
Gemeinhin wird angenommen, da bei der Amorphisierung von kovalenten Materialien die
Verteilung der elektronischen Eigenzustande verschmiert wird und dies eine -in der Regel
allerdings moderate- Anderung der optischen Eigenschaften hervorruft. Die hier vorgestel-
lten Rechnungen belegen, da sowohl bei GeTe als auch bei Ge Sb Te die Matrixelemente1 2 4
der optischen Ubergange sich stark andern und somit einen entscheidenden Beitrag zum
starken optischen Kontrast liefern. Die Tatsache, da dieser Beitrag derte
in den beiden untersuchten Legierungen unterschiedlich stark ist, deutet darauf hin, da
sich diese wichtige Eigenschaft von Phasenwechselmaterialien uber die Stochiometrie der
Materialien gezielt variieren und steuern la t. Dieses Ergebnis stellt somit einen weiteren
wichtigen Beitrag zur systematischen Optimierung von Phasenwechselmaterialien dar.
iiAbstract
In this work the correlation between structural, electronic and optical properties of so-called
phase-change materials is studied. These alloys, such as GeTe, Ge Sb Te or AgInSbTe,2 2 5
exhibit a rapid phase transition between the amorphous and the crystalline phase, which is
achieved by heating the material with a laser pulse or an electric current, locally changing
the optical and electronic properties of the material. The optical re ectivit y for instance,
decreases by about 30% allowing for applications in optical data storage. However, although
these materials are already employed commercially, the physical origin of the kinetics of
the phase transition as well as of the change in optical and electronic properties is not well
understood. Thus the selection of materials for the applications simply follows empirical
criteria.
This work mainly discusses the electronic and optical properties and their relation to the
local structure of the materials. A better knowledge of these properties would result in a
more heuristic optimization of the phase change materials. Employing methods of com-
putational physics, in particular density functional theory and many-body perturbation
theory this work reveals the correlation between the change of the local atomic structure
upon amorphization and the change of the electronic properties. In the phase change alloy
Ge Sb Te the germanium atoms, which are octahedrally coordinated in the crystalline1 2 4
phase, switch to tetrahedrally coordinated positions in the amorphous phase. Calcula-
tions with density functional theory show, that such a local arrangement is energetically
favorable while it correctly reproduces the experimentally observed density change upon
amorphization. This structural change leads to pronounced changes in the electronic lev-
els. In particular electrons of the tellurium atoms sharply decrease in energy. While they
signi can tly contribute to the density of states at the Fermi energy in the crystalline phase,
they are well below the Fermi level in the amorphous state. This decrease in energy results
in an opening of the band gap in the state. This is in contrast to conventional
semiconductors, which exhibit a reduction of the band gap energy in the amorphous phase.
This widening of the band gap in the amorphous phase is of great importance for the
future application of phase change materials in electronic data storage. The electric phase
transition is accompanied by a so-called \threshold switch\, where in the beginning defect
states in the amorphous phase are lled by carriers. Along these defect states conducting
lamen ts are formed at which the crystallization process starts.
Besides the electronic properties the optical properties are of great importance for phase
change materials. The large di erence of the optical absorption in the amorphous and the
crystalline phase, which is not observed in conventional covalent semiconductors such as
Si or GaAs, is not yet understood. In order to study this optical contrast between the
two structural states, calculations of the optical absorption of GeTe and Ge Sb Te within1 2 4
time-dependent density functional theory and many-body perturbation theory have been
performed within this work. The results reveal the e ect of the change in structural and
iiielectronic properties upon amorphization on the optical properties. The optical