Диссертация (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей), страница 4

Поэтому соединениеGe2Sb2Te5 из совокупности своих значимых свойств как времени фазовогоперехода, стабильности свойств, температуре плавления, которая определяетнеобходимую мощность и величину тока программирования, количествувозможных циклов записи/стирания представляется себя наибольшийинтерес.221.4.1. Структура соединения GST225Соединение Ge2Sb2Te5 имеет две кристаллические полиморфныемодификации. По данным исследования тонких слоев GST225 методамирентгеновской дифракции при нагреве до температуры примерно 1400С оникристаллизуются в структуру, подобную структуре поваренной соли (fcc кубическая структура, группа симметрии Fm 3 m) [22-24].Рисунок 1.5.

Распределение атомов вэлементарной гранецентрированнойкубической ячейке (ГЦК) GST225[23].На рис. 1.5 представлена элементарная ячейка типа NaCl. Атомы Тезанимают 4а позиции (узлы анионной кристаллической подрешетки);позиции 4b (узлы катионной кристаллической подрешетки) случайнымобразом занимают атомы германия, сурьмы и вакансии (20%) [25-27]. Даннаякристаллическая структура, получаемая при кристаллизации аморфной фазы,является метастабильной.Высокая доля вакансий в решетке объясняется отсутствием у Ge и Sbдостаточного числа валентных электронов [28]. Этот вывод подтверждаютрезультатыработ[29,30],вкоторыхпоказано,чтодобавлениедополнительных атомов Ge или Sb приводит к сегрегации и скоплениюатомов на границах зерен, а не заполнению вакансий.Анализ ГЦК фазы GST225 методом исследования протяженной тонкойструктуры края рентгеновского поглощения (EXAFS) [31] показал, что из-заразличия в атомных радиусах между Te, Ge и Sb атомы Ge и в меньшейстепени Sb смещаются из соответствующих узлов ГЦК решетки.

Поэтому23данная структура не является структурой поваренной соли, поскольку несоответствует симметрии fcc. В ГЦК фазе связи Ge−Te и Sb−Te разделяютсяна короткие и длинные (2.83 и 3.2 Å для Ge−Te, а 2.91 и 3.2 Å для Sb−Te).Было показано, что в Ge2Sb2Te5 также как и в GeTe жесткие короткие связиявляются ковалентными с небольшой добавкой резонансной связи, а слабыедлинные связи являются резонансными [32].Рисунок 1.6. Распределение атомов в тригональной элементарнойячейке GST225 [23].Петров в своей работе [33] представил результаты электроннойдифрактометрии материала GST225, в которой было показано, чтометастабильная фаза может перейти в стабильное кристаллическое состояниепри температуре выше 2000С.

В этом случае кристаллическая структураявляется тригональной (hcp - гексагональная структура, группа симметрии(P 3 m1), элементарная ячейка которого состоит из 9-слойной тригональнойупаковки атомов –Te–Ge–Te–Sb–Te–Te–Sb–Te–Ge– (рис. 1.6) или –Te–Sb–Te–Ge–Te–Te–Ge–Te–Sb–.1.4.2. КРС спектры соединения GST225Кроме метода EXAFS, метод комбинационного рассеяния света (КРС)так же использовался при исследовании структур материала GST225. КРС24спектры тонких аморфных пленок GST225 исследовались во многих работах[34-37], при этом, поскольку тонкие пленки были получены в разныхлабораториях различными методами напыления, то наблюдалось некотороерасхождение экспериментальных данных. Анализ литературных данныхпоказал, что в спектрах КРС аморфных пленок GST225 наблюдаются дваглавного пика с максимумами ~123 и ~150 см-1 [34,36-38] (рис.

1.7).Рисунок 1.7. Спектры КРС (а,d) кубической, (b,e) гексагональной фазыи (c) аморфной пленок GST225 [38].Выполненные теоретические расчеты оптических мод для аморфныхпленок GST225 также выявили пики 143 см-1 и 160 см-1 [39], что в целомкоррелирует с экспериментом.

Помимо исследований методом КРС, другиеблизкие методы, например, когерентного рассеяния фононов, также показалипохожие результаты, а именно, наличие интенсивных пиков 3.7 ТГц(123 см-1) и 4.8 ТГц (160 см-1) [40].Из литературных данных следует, что колебание пика и ~123 см-1связано с колебанием А1 моды тетраэдров GeTe4-nGen (n=1,2), связанныхмежду собой вершинами. При обсуждении пика ~150 см-1 в литературеприводятся несколько альтернативных мнений. Некоторые авторы полагают,что этот пик связан с колебаниями химической связи Te ─ Te [41,42,43]. В тоже время, в работе Andrikopoulos et al. [36] показано, что пик ~150 см-1можно приписать колебаниям связей Sb – Te в структурных единицах SbTe3/2.Еще одно альтернативное мнение приводится в работе [35], в которой эта25мода приписывается колебаниям структурных единиц типа GeTe4 тетраэдра,связанного по ребрам, по аналогии с соединением GeSe2 [44].Анализлитературныхданныхпоказал,чтовспектрахКРСкристаллических пленок GST225 наблюдаются две главных пика смаксимумами ~110 и ~160 см-1 [38, 45].

В работе [45] такие модыприписывались колебаниям в GeTe4 тетраэдре и SbTe3 пирамиде, или связиSb-Sb в этиленоподобных структурных единицах типа (Te2)Sb-Sb(Te2) или(TeSb)Sb-Sb(Te2).1.4.3 . Оптические свойства тонких пленок GST225В работе [46] подробно исследованы оптические свойства Ge2Sb2Te5.Измерен спектр оптического поглощения материала и определена шириназапрещенной зоны Eg , которая равна 0.74 эВ в аморфной фазе и 0.5 эВ вкубической и гексагональной фазах. Близкие значения ширины запрещеннойзоны получены в работе [47,48,49]. В работах [48,49,50] наблюдалось, чтопри переходе из аморфной в кристаллическую фазу, показателя преломленияи коэффициента экстинкции увеличиваются (рис.

1.8).Рисунок 1.8. Спектральные зависимости n и k для аморфной (а) икристаллической (с) пленки GST225. Штриховыми линиями отмеченырабочие длины волн для телеком (1500-1600 нм) и формата DVD-RW(650 нм) [50].26Нарис.1.9представленыоптическиеконстанты(показательпреломления, коэффициент экстинкции, и коэффициент поглощения) тонкихпленок GST225 в трех фазных состояниях (аморфная, кубическая игексагональная фазы). Коэффициент поглощения не различается при обеихкубической и гексагональной фазах (см.

рис. 1.9.с).Рисунок 1.9. Оптические константы: (а) показатель преломления, (б)коэффициент экстинкции, и (с) коэффициент поглощения аморфной, ГЦК, игексагональные фазы Ge2Sb2Te5. Штриховыми линиями отмечены длиныволны лазера используется для перезаписываемых CD, DVD, и Blu-Rayдисков, соответственно [3].Оптический контраст был рассчитан в работах [48,49] и показан, чтомаксимальное значение соответствует -1.20+i1.05 при 400 нм, рабочая длинаволна для Blu-Ray дисков.

В работах Колобова с соавторами (см. [51,52] исоответствующую библиографию в них) для объяснения сильного измененияоптических констант GST предлагается структурная модель, в основекоторой лежат обратимые «прыжки» атома германия из тетраэдрического воктаэдрическое окружение при лазерном облучении (модель «umbreallaflip»).В работе [53] авторы показали, что искажение в кристаллической фаземожет вызвать разрушение дальнего порядка, создавая аморфную фазу безпрохождения через жидкое состояние.

И было показано, что сопутствующееизменение оптических свойств в основном происходит в начальном этапе27фазовогоперехода,когдарезонансныесвязивблизкомпорядкеразрушаются, а структура все еще сохраняется в дальнем порядке.Последующее разупорядочение решетки дает гораздо меньшее изменение воптических свойствах (рис. 1.10).(а)(б)(в)Рисунок 1.10. Диаграмма изменения структур и спектральныезависимости n и k для процесса аморфизации GeTe, когда аморфная фазагенерируется электронным возбуждением и последующей релаксациейрешетки: (а) – кристаллическая фаза, (б) - начальный этап фазовогоперехода, (в) – аморфная фаза [53].1.4.4.

Термические свойства тонких пленок GST225Для материала фазовой памяти характерен быстропротекающий иобратимый процесс перехода из аморфной в кристаллическую фазу. Принагреве материала до определенной температуры, происходит фазовыйпереход. Поэтому в процессе исследования физико-химичесских свойствданного материала требуется знание фундаментальных термических свойствкак кристаллической, так и аморфной фазы (температуры плавления,кристаллизации, тепловые эффекты и т.д.).