Einfluss der chemischen Substitution auf die lokale Struktur, die opto-elektronischen Eigenschaften und das Schaltverhalten von Phasenwechselmaterialien

Koch, Christine

Phasenwechselmaterialien werden in optischen und elektrischen Datenspeichern eingesetzt. Der Schaltvorgang zum Schreiben der Daten erfolgt mit kurzen, intensiven Laser- oder Strompulsen zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase. Die optischen und elektrischen Eigenschaften dieser beiden Phasen unterscheiden sich signifikant voneinander, sodass die Daten mit schwachen Laser- oder Strompulsen ausgelesen werden können. Das Ziel der Arbeiten war Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufzuzeigen, die beim Design zukünftiger Datenspeichermaterialien helfen können. Es wurden dünne Filme von Phasenwechselmaterialien mit Cosputtern oder Coverdampfen auf unterschiedlichen Substraten hergestellt. Neben den literaturbekannten Verbindungen GeTe, Ge2Sb2Te5, Ge8Sb2Te11, Sn8Sb2Te11 und SnSb2Se4 wurden insgesamt neun weitere Materialien durch chemische Substitution einzelner Elemente synthetisiert. Verglichen mit den jeweiligen Ausgangsmaterialien wurden die Hybridisierung und die Ionizität der chemischen Bindungen variiert, welche für die Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien essentiell und in der sogenannten Schatzkarte zur Identifizierung geeigneter Materialien aufgetragen sind. Die bisher unbekannten Verbindungen konnten umfassend charakterisiert und die Phasenwechseltemperaturen, die Kristallstrukturen, die optischen Konstanten, die elektronischen Bandlücken, der optische und elektrische Kontrast sowie das magnetoresistive Verhalten bestimmt werden. Laserschaltversuche dienten zur Überprüfung der Reversibilität des Phasenwechsels und der Schaltgeschwindigkeit.

Phase change materials are used in optical and electrical data storage devices. These materials can rapidly and reversibly be switched between an amorphous and a crystalline state by applying short, intense laser pulses or high electrical current pulses. The optical and electrical properties of the two phases are remarkably different so that laser and current pulses can be used to read out information. The aim of this work was to characterize new compounds and to reveal structure-property relations which can help to design future data storage materials. All materials were prepared as thin films using sputter deposition or co-evaporation on different substrates. In addition to the well-known compounds GeTe, Ge2Sb2Te5, Ge8Sb2Te11, Sn8Sb2Te11 and SnSb2Se4, nine new compounds were synthesized via chemical substitution of single elements. Consequently, the hybridization and ionicity of bonding, which are essential for the materials properties, were altered and used to upgrade the so-called treasure map to identify suitable phase change materials. For each synthesized material, the phase change temperatures, the crystal structures, the optical constants, the electronic band gaps, the optical and electrical contrast as well as the magnetoresistive behavior were determined. Femtosecond laser pulses were used to investigate the reversibility of phase changes and switching speeds.

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Koch, Christine: Einfluss der chemischen Substitution auf die lokale Struktur, die opto-elektronischen Eigenschaften und das Schaltverhalten von Phasenwechselmaterialien. 2019.

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