Structural analysis of phase-change materials using x-ray absorption measurements [Elektronische Ressource] / Julia Maria van Eijk

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Structural Analysis of Phase-Change
Materials using X-Ray Absorption
Measurements
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften der RWTH Aachen University zur Erlangung
des akademischen Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physikerin
Julia Maria van Eijk
geb. Steiner
aus Heidelberg
Berichter: Universitätsprofessor Dr. Matthias Wuttig
Dr. Christophe Bichara
Tag der mündlichen Prüfung: 17. Dezember 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfügbar.Abstract
Phase-change materials belong to a group of materials, that are suitable for optical and
electronic data storage applications due to their unusual combination of properties.
Within very short time, phase-change materials can reversibly be switched between a
disordered, amorphous and an ordered, crystalline phase, and both the crystallization
and the amorphization can be induced with laser pulses or electrical pulses. Because
of the high optical and/or electrical contrast between both phases, using laser
radiation or electrical pulses also the state of the material can reliably be detected.
The knowledge of the structure of the amorphous and crystalline phases, which
are relevant for data storage devices, is important to understand the origin of
the high contrast and to be able to link the stoichiometry of the material with its
physical properties. Therefore, in this study the structure of different phase-change
materials is investigated by means of extended x-ray absorption fine structure
(EXAFS) measurements.
After a short introduction to phase-change materials, the theory of x-ray absorption
measurements is discussed and the methods, that are used to analyse the EXAFS
spectra, are explained. Subsequent, the experimental equipment to prepare and
characterize the samples is presented. Within the scope of this thesis, the structure
of the crystalline and the amorphous phase of three alloys, GeTe, Ge Sb Te and8 2 11
Ge Sb Te , is studied. These materials lie along the pseudo-binary line, which ranges1 2 4
from GeTe to Sb Te . After the detailed description of the analysis of the EXAFS2 3
spectra and the results, the structures of the investigated materials are compared
and discussed.
The different local order in the amorphous and the crystalline phase, which is
already apparent in the EXAFS spectra, is characteristic for phase-change materials.
In the Fourier transformed display of the EXAFS spectra in real space, not only the
amplitudes but also the peak positions differ in both phases. The analysis of the
EXAFS spectra yields, that in the studied materials the bond lengths are shorter
in the amorphous phase as compared to the crystalline phase. Investigating the
crystalline phase of the phase-change materials it can be seen, that the temperature
has an exceptionally large influence on the EXAFS spectra. The information content
increases significantly, if the recording temperature is lowered to 10 K, and the
spectra contain information on interatomic distances up to approximately 6 Å
(compared to3 Å at room temperature). The large impact of the temperature can be
associated with the large static disorder in the crystalline phase. Although at 10 K
contributions from thermal oscillations on the EXAFS Debye-Waller factor can be
neglected, these factors are large for the crystalline phase, even larger than for the
vAbstract
amorphous phase. The results of the Reverse Monte Carlo simulations provide the
same information: the pair correlation functions for the crystalline configurations
have much broader peaks than for the respective amorphous configurations. This
means, that in contrast to common semiconductors, like e.g. Ge, the local order in
the investigated phase-change materials is smaller in the crystalline phase than
in the amorphous phase, even though no long range, periodic order exists in the
amorphous phase.
viKurzfassung
ÜbersetzungdesenglischenOriginaltitels: Strukturanalyse von Phasenwechsel-
materialien mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen
Als Phasenwechselmaterialien wird eine Gruppe von Materialien bezeichnet, die
sich durch ihre ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften zur optischen und
elektronischen Datenspeicherung eignet. Innerhalb kürzester Zeit können Phasen-
wechselmaterialien reversibel zwischen einer ungeordneten, amorphen und einer
geordneten, kristallinen Phase geschaltet werden, wobei sowohl die Kristallisation
als auch die Amorphisierung durch Laserpulse oder elektrische Pulse induziert
werden kann. Da zwischen beiden Phasen ein hoher optischer und/oder elektrischer
Kontrast besteht, kann mit Hilfe von Laserstrahlung oder elektrischen Pulsen auch
der Zustand des Materials zuverlässig bestimmt werden. Die Kenntnis der Strukturen
der amorphen und kristallinen Phase, die für die Datenspeicherung relevant sind, ist
wichtig um den Ursprung des hohen Kontrasts zu verstehen und einen Zusammen-
hang zwischen der Stöchiometrie und den physikalischen Eigenschaften herstellen
zu können. Daher wird in dieser Arbeit die Struktur verschiedener Phasenwech-
selmaterialien mit Hilfe von Röntgenabsorptionsmessungen (EXAFS-Messungen)
untersucht.
Nach einer kurzen Einführung in Phasenwechselmaterialien wird die Theorie
von Röntgenabsorptionsmessungen diskutiert und die Methoden, mit denen die
EXAFS-Spektren ausgewertet werden, werden erläutert. Im Anschluss werden die
experimentellen Anlagen vorgestellt, die zur Probenpräparation und zur Proben-
charakterisierung verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Struktur
der kristallinen und amorphen Phase von drei Legierungen, GeTe, Ge Sb Te und8 2 11
Ge Sb Te , studiert. Diese Materialien liegen entlang der pseuodobinären Linie, die1 2 4
von GeTe bis Sb Te reicht. Nachdem die Auswertung der EXAFS-Spektren und die2 3
Ergebnisse detailliert beschrieben sind, werden abschließend die Strukturen dieser
Materialien verglichen und diskutiert.
Charakteristisch für Phasenwechselmaterialien ist die unterschiedliche lokale
Ordnung in der amorphen und der kristallinen Phase, die bereits in den EXAFS-
Spektren sichtbar ist. In der fouriertransformierten Darstellung der EXAFS-Spektren
im Realraum unterscheiden sich nicht nur die Amplituden der Peaks in beiden
Phasen sondern auch die Peakpositionen. Die Auswertung der
zeigt, dass in den untersuchten Materialien die Bindungslängen in der amorphen
Phase kürzer sind als in der kristallinen Phase. Bei der Untersuchung der Kristall-
struktur von Phasenwechselmaterialien stellt sich heraus, dass die Temperatur einen
viiKurzfassung
ungewöhnlich großen Einfluss auf die EXAFS-Spektren hat. Der Informationsgehalt
steigt signifikant an, wenn die Messtemperatur auf 10 K verringert wird, und die
Spektren enthalten Informationen über interatomare Abstände bis ca. 6 Å (im Ver-
gleich zu3 Å bei Raumtemperatur). Dieser große Temperatureinfluss hängt mit der
hohen statischen Unordnung in der kristallinen Phase zusammen. Obwohl bei einer
Temperatur von 10 K der thermische Einfluss auf den EXAFS-Debye-Waller Faktor
vernachlässigt werden kann, sind diese Faktoren für die kristalline Phase sehr groß
und sogar größer als für die amorphe Phase. Die Ergebnisse der Reverse Monte Carlo
Simulationen liefern dasselbe Bild: die Paarverteilungsfunktionen der kristallinen
Konfigurationen zeigen deutlich breiter Peaks als die der zugehörigen amorphen
Kationen. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu gewöhnlichen Halbleitern
wie z.B. Ge, die lokale Ordnung in den untersuchten Phasenwechselmaterialien
in der kristallinen Phase geringer ist als in der amorphen Phase, obwohl keine
langreichweitige, periodische Ordnung in der Phase existiert.
viiiContents
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1. Introduction 1
1.1. Phase-Change Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Aim and Structure of this Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Extended X-Ray Absorption Fine Structure 7
2.1. Principles of EXAFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1. X-Ray Absorption by Isolated Atoms . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2. X-Ray A in Condensed Matter . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3. The EXAFS Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. Fourier Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3. Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1. Alignment and Energy Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2. Normalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3. Background Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4. Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . .