Особенности изменения электрофизических свойств при фазовом переходе кристалл–расплав в объемном Ge2Sb2Te5

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

В работе исследован фазовый переход кристалл–расплав в синтезированном поликристаллическом материале Ge2Sb2Te5 с пр. гр. P3m1 с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии, а также стенда для измерения температурных зависимостей электрического сопротивления в диапазоне от комнатной температуры до 750°С. Установлены характерные температуры и энтальпия процесса плавления, процесс плавления данного материала классифицирован как фазовый переход типа полупроводник–полупроводник. Сделан вывод о сохранении преимущественно ковалентной составляющей межатомного взаимодействия при переходе кристаллического материала в расплав.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

П. Лазаренко

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Autor responsável pela correspondência
Email: lpi@org.miet.ru
Rússia, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498

Bibliografia

  1. Silver D., Huang A., Maddison C., Guez A. Mastering the Game of Go with Deep Neural Networks and Tree Search // Nature. 2016. V. 529. P. 484–489. https://doi.org/10.1038/nature16961
  2. Козюхин С.А., Лазаренко П.И., Попов А.И., Еременко И.Л. Материалы фазовой памяти и их применение // Успехи химии. 2022. Т. 91. № 9. С. 1–38. https://doi.org/10.1070/RCR5033
  3. Guo P., Sarangan A.M., Agha I. A Review of Germanium-Antimony-Telluride Phase Change Materials for Non-Volatile Memories and Optical Modulators // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 530. P. 1–26. https://doi.org/10.3390/app9030530
  4. Lotnyk A., Behrens M., Rauschenbach B. Phase Change Thin Films for Non-Volatile Memory Applications // Nanoscale Adv. 2019. V. 1. № 10. P. 3836–3857. https://doi.org/10.1039/C9NA00366E
  5. Song Z., Cai D., Cheng Y., Wang L., Lv S., Xin T., Feng G. 12-state Multi-Level Cell Storage Implemented in a 128 Mb Phase Change Memory Chip // Nanoscale. 2021. V. 13. № 9. P. 10455–10461. https://doi.org/10.1039/D1NR00100K
  6. Lazarenko P., Kovalyuk V., An P., Prokhodtsov A., Golikov A., Sherchenkov A., Kozyukhin S., Fradkin I., Chulkova G., Goltsman G. Size Effect of the Ge2Sb2Te5 Cell Atop The Silicon Nitride O-ring Resonator on the Attenuation Coefficient // APL Mater. 2021. V. 9. № 12. P. 1–8. https://doi.org/10.1063/5.0066387
  7. Lazarenko P., Kovalyuk V., An P., Kozyukhin S., Takátse V., Golikov A., Glukhenkaya V., Vorobyov Y., Kulevoy T., Prokhodtsov A., Sherchenkov A., Goltsman G. Low Power Reconfigurable Multilevel Nanophotonic Devices Based on Sn-doped Ge2Sb2Te5 Thin Films // Acta Mater. 2022. V. 234. P. 117994. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117994
  8. Заботнов С.В., Кашкаров П.К., Колобов А.В., Козюхин С.А. Структурные превращения и формирование микро- и наноструктур в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников // Российские нанотехнологии. 2023. T. 18. № 6. С. 723–736. https://doi.org/10.56304/S1992722323060158
  9. Abdollahramezani S., Hemmatyar O., Taghinejad M., Taghinejad H., Krasnok A.E., Eftekhar A.A., Teichrib C., Deshmukh S., El-Sayed M.A., Pop E., Wuttig M., Alu A., Cai W., Adibi A. Electrically Driven Reprogrammable Phase-Change Metasurface Reaching 80% Efficiency // Nat. Commun. 2022. V. 13. № 1. P. 1696. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29374-6
  10. Zhang Y., Fowler C., Liang J., Azhar B., Shalaginov M.Y., Deckoff-Jones S., An S., Chou J.B., Roberts C.M., Liberman V., Kang M., Ríos C., Richardson K.A., Rivero-Baleine C., Gu T., Zhang Z., Hu J. Electrically Reconfigurable Non-Volatile Metasurface Using Low-Loss Optical Phase-Change Material // Nat. Nanotechnol. 2021. V. 16. № 6. P. 661–666. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00881-9
  11. Cheng H.Y., Carta F., Chien W., Lung H., Brightsky M.J. 3D Cross-Point Phase-Change Memory for Storage-Class Memory // J. Phys D.: Appl. Phys. 2019. V. 52. № 47. P. 473002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab39a0
  12. Ielmini D., Lacaita A.L. Phase Change Materials in Non-Volatile Storage // Mater. Today. 2011. V. 14. № 12. P. 600–607. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(11)70301-7
  13. Лазаренко П.И., Воробьев Ю.В., Федянина М.Е., Шерченков А.А., Козюхин С.А., Якубов А.О., Кукин А.В., Зыбина Ю.С., Сагунова И.В. Особенности определения оптической ширины запрещенной зоны тонких пленок материалов фазовой памяти // Перспективные материалы. 2019. № 10. С. 14–25. https://www.doi.org/10.30791/1028-978X-2019-10-14-25
  14. Burtsev A.A., Kiselev A.V., Ionin V.V., Eliseev N.N., Fedyanina M.E., Mikhalevsky V.A., Nevzorov A.A., Novodvorsky O.A., Lotin A.A. Controlled Optical Contrast Caused by Reversible Laser-Induced Phase Transitions in GeTe and Ge2Sb2Te5 Thin Films in the Spectral Range from 500 to 20,000 nm // J. Russ. Laser Res. 2023. V. 44. № 6. P. 700–706. https://doi.org/10.1007/s10946-023-10180-4
  15. Zhang W., Mazzarello M., Ma E. Phase-Change Materials in Electronics and Photonics // MRS Bull. 2019. V. 44. P. 686–690. https://doi.org/10.1557/mrs.2019.201
  16. Шелимова Л.Е., Карпинский О.Г., Константинов П.П., Кретова М.А., Авилов Е.С., Земсков В.С. Состав и свойства слоистых соединений в системе GeTe–Sb2Te3 // Неорган. материалы. 2001. Т. 37. № 4. С. 421–427.
  17. Федянина М.Е., Лазаренко П.И., Воробьев Ю.В., Козюхин С.А., Дедкова А.А., Якубов А.О., Левицкий В.С., Сагунова И.В., Шерченков А.А. Влияние степени кристалличности на дисперсию оптических параметров тонких пленок фазовой памяти Ge2Sb2Te5 // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 3. С. 203–218.
  18. Joo Y.C., Yang T.Y., Cho J.Y., Park Y.J. Electromigration in Molten-phase Ge2Sb2Te5 and Effects of Doping on Atomic Migration Rate // J. Korean Ceram. Soc. 2012. V. 49. № 1. P. 43–47. https://doi.org/10.4191/kcers.2012.49.1.043
  19. Tripathi S., Kotula P., Singh M. K., Ghosh C., Bakan G., Silva H., Carter C. B. Role of Oxygen on Chemical Segregation in Uncapped Ge2Sb2Te5 Thin Films on Silicon Nitride // J. Solid State Sci. Technol. 2020. V. 9. № 5. P. 54007. https://doi.org/10.1149/2162-8777/ab9a19
  20. Baek K., Song K., Son S.K., Oh J.W., Jeon S.J., Kim W. Microstructure-Dependent DC Set Switching Behaviors of Ge–Sb–Te-based Phase-Change Random Access Memory Devices Accessed by in situ TEM // NPG Asia Mater. 2015. V. 7. № 6. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/am.2015.49
  21. Xu Q., Lian E., Yeoh Ph., Skowronski M. Segregation-induced Ge Precipitation in Ge2Sb2Te5 and N-doped Ge2Sb2Te5 Line Cells // AIP Adv. 2022. V. 12. № 6. P. 1–7. https://doi.org/10.1063/5.0087570
  22. Oh S.H., Baek K., Son S.K., Song K., Oh J.W., Jeon S.J., Lee K.J. In Situ TEM Observation of Void Formation and Migration in Phase Change Memory Devices with Confined Nanoscale Ge2Sb2Te5 // Nanoscale Adv. 2020. V. 2. № 9. P. 3841–3848. https://doi.org/10.1039/D0NA00223B
  23. Абрикосов Н.Х., Данилова-Добрякова Г.Т. Исследование диаграммы состояния Sb2Te3–GeTe // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1965. Т. 1. № 2. С. 204–208.
  24. Абрикосов Н.Х., Данилова-Добрякова Г.Т. Исследование тройной системы Ge–Sb–Te // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1970. Т. 6. № 3. С. 475–481.
  25. Legendre B., Hancheng B., Bordas S., Clavaguera-Mora M.T. Phase Diagram of the Ternary System Ge–Sb–Te: I. The Subternary GeTe–Sb2Te3–Te // Thermochim. Acta. 1984. V. 78. P. 141–157.
  26. Косяков В.И., Шестаков В.А., Шелимова Л.Е., Кузнецов Ф.А., Земсков В.С. Топология фазовой диаграммы системы Ge–Sb–Te // Неорган. материалы. 2000. Т. 36. № 10. С. 1196–1209.
  27. Muneer S., Scoggin J., Dirisaglik F., Adnane L., Cywar A., Bakan G., Cil K., Lam C., Silva H., Gokirmak A. Activation Energy of Metastable Amorphous Ge2Sb2Te5 from Room Temperature to Melt // AIP Adv. 2018. V. 8. № 6. P. 65–70. https://doi.org/10.1063/1.5035085
  28. Endo R., Maeda S., Jinnai Y., Lan R., Kuwahara M., Kobayashi Y., Susa M. Electric Resistivity Measurements of Sb2Te3 and Ge2Sb2Te5 Melts Using Four-Terminal Method // Jpn. J. Appl. Phys. 2010. V. 49. № 6. P. 065802. https://doi.org/10.1143/JJAP.49.065802
  29. Cil K., Dirisaglik F., Adnane L., Wennberg M., King A., Faraclas A., Akbulut M. B., Zhu Y., Lam C., Gokirmak A., Silva H. Electrical Resistivity of Liquid Ge2Sb2Te5 Based on Thin-Film and Nanoscale Device Measurements // IEEE Trans. Electron. Devices. 2013. V. 60. № 1. P. 433–437. https://doi.org/10.1109/ted.2012.2228273
  30. Wei S., Coleman G., Lucas P., Angell A. Glass Transitions, Semiconductor-Metal Transitions, and Fragilities in Ge−V−Te (V = As, Sb) Liquid Alloys: The Difference One Element Can Make // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 8. P. 049901. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.034035
  31. Лазаренко П.И. Измерительный комплекс для исследования температурных зависимостей электрического сопротивления халькогенидных материалов в твердом и жидком состояниях // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 2. С. 158–167. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-2-158-167
  32. Казанджан Б.И. Методика исследования эффекта Холла в жидких полупроводниках // Заводская лаборатория. 1979. Т. 45. № 5. С. 433–435.
  33. Golovchak R., Choi Y.G., Kozyukhin S., Chigirinsky Yu., Kovalskiy A., Xiong-Skiba P., Trimble J., Pafchek R., Jain H. Oxygen Incorporation into GST Phase-change Memory Matrix // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 332. P. 533–541. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.01.203
  34. Noe P., Sabbione C., Bernier N., Castellani N., Fillot F., Hippert F. Impact of Interfaces on Scenario of Crystallization of Phase Change Materials // Acta Mater. 2016. V. 110. № 16. P. 142–148. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.03.022
  35. Kim Y., Park S., Baeck J.H., Noh M.K. Phase Separation of a Ge2Sb2Te5 Alloy in the Transition from an Amorphous Structure to Crystalline Structures // J. Vac. Sci. Technol., A. 2006. V. 24. № 4. P. 929–933. https://doi.org/10.1116/1.2198869
  36. Zhang T., Bo L., Song Z.-T., Liu W.-L. Phase Transition Phenomena in Ultra-thin Ge2Sb2Te5 Films // Chin. Phys. Lett. 2005. V. 22. № 7. P. 1803–1805. https://doi.org/10.1088/0256-307X/22/7/067
  37. Yamada N., Ohno E., Nishiuchi K., Akahira N., Masatoshi T. Rapid-phase Transitions of GeTe–Sb2Te3 Pseudobinary Amorphous Thin Films for an Optical Disk Memory // J. Appl. Phys. 1991. V. 69. № 5. P. 2849–2856. https://doi.org/10.1063/1.348620
  38. Yu W., Yi X., Wright C.D. Analysis of Crystallization Behavior of Ge2Sb2Te5 Used in Optical and Electrical Memory Devices // J. Chem. Pharm. Res. 2014. V. 6. № 7. P. 415–424.
  39. Регель А.Р., Глазов В.М. Физические свойства электронных расплавов. М.: Наука, 1980. 296 c.
  40. Kolobov A.V., Fons P., Krbal M., Simpson R.E., Hosokawa S., Uruga T., Tanida H., Tominaga J. Liquid Ge2Sb2Te5 Studied by Extended X-Ray Absorption // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. № 24. P. 241902. https://doi.org/10.1063/1.3272680

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Schematic diagram of the APC (a) and a schematic representation of the measuring cell (b) for studying the temperature dependence of the electrical resistance of semiconductor materials in the solid and molten states: 1 - voltmeter, 2 - DC source, 3 - multiplexer, 4 - multimeter, 5 - reference resistor, 6 - electrical contact switch, 7 - vacuum post, 8 - bleed system, 9 - measuring cell, 10 - resistive heating furnace, 11 - voltmeter, 12 - automated controller, 13 - power regulator, 14 - graphite cover, 15 - loading container, 16 - slot-type cell, 17 and 18 - graphite contacts.

Baixar (231KB)
Metadados
3. Fig. 2. Profiles of element distribution by depth of removed samples (a), maps of element distribution by the surface of the cleavage of the ingot (b-d), X-ray diffraction pattern of the synthesized material (e).

Baixar (401KB)
Metadados
4. Fig. 3. DSC and TGA curves obtained by heating Ge2Sb2Te5 in a flow of air (a) and argon (b).

Baixar (137KB)
Metadados
5. Fig. 4. Temperature dependence of the electrical resistance of Ge2Sb2Te5 in comparison with the results of DSC analysis (b).

Baixar (93KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».