Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов
Основан в 2009 году

Особенности кинетики лазерной кристаллизации тонких пленок халькогенидных фазоизменяемых материалов GeTe и Ge2Sb2Te5

А.А. Бурцев, А.В. Киселев, В.А. Михалевский, В.В. Ионин, А.А. Невзоров, Н.Н. Елисеев, А.А. Лотин

ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.XXX

Оригинальная статья

Аннотация: В работе представлены результаты теоретического анализа кристаллизации тонких пленок фазоизменяемых материалов GeTe и Ge2Sb2Te5 под действием импульсного лазерного излучения. Изменение фазового состояния и оценка доли кристаллической фазы проводились на основе изменения коэффициента оптического отражения зондирующего излучения от поверхности образца пленки. Для оценки кинетических особенностей фазового превращения под действием лазерного излучения применялся формализм на основе теории Колмогорова – Джонсона – Мэла – Аврами. На основе экспериментальных данных изменения отражения при кристаллизации исследуемых материалов были построены графики и определены постоянные Аврами. Показано, что GeTe демонстрирует одноступенчатый процесс кристаллизации, что связано с высокой скоростью зародышеобразования и ростом кристаллитов во всех направлениях. Материал Ge2Sb2Te5 отличает двухступенчатый процесс кристаллизации с изменением постоянной Аврами, что связано с влиянием многих факторов, таких как геометрия пленки, особенности напыления и т.д. и объясняется преобладанием высоко стохастичного зародышеобразования.

Ключевые слова: лазерная кристаллизация, фазовые переходы, халькогениды, фазоизменяемые материалы, тонкие пленки, кинетика

  • Бурцев Антон Андреевич – научный сотрудник , ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
  • Киселев Алексей Владимирович – научный сотрудник , ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
  • Михалевский Владимир Александрович – научный сотрудник , ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
  • Ионин Виталий Вячеславович – научный сотрудник , ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
  • Невзоров Алексей Алексеевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник , ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
  • Елисеев Николай Николаевич – младший научный сотрудник , ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
  • Лотин Андрей Анатольевич – – к.ф.-м.н., заместитель руководителя отделения «ИПЛИТ — Шатура» Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники, ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Ссылка на статью:

Бурцев, А.А. Особенности кинетики лазерной кристаллизации тонких пленок халькогенидных фазоизменяемых материалов GeTe и Ge2Sb2Te5 / А.А. Бурцев, А.В. Киселев, В.А. Михалевский, В.В. Ионин, А.А. Невзоров, Н.Н. Елисеев, А.А. Лотин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. __-__. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.XXX.

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Phase change materials. science and applications / ed. by S. Raoux, M. Wutting. – New York: Springer Science+Business Media, LLC, 2009. – 450 p. DOI: 10.1007/978-0-387-84874-7.
2. Kolobov, A.V. Chalcogenides: metastability and phase change phenomena / A.V. Kolobov, J. Tominaga. – Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2012. – XVI, 284 p. DOI: 10.1007/978-3-642-28705-3.
3. Wuttig, M. Phase-change materials for rewriteable data storage / M. Wuttig, N. Yamada // Nature materials. – 2010. – V. 6. – I. 11. – P. 824-832. DOI: 10.1038/nmat2009.
4. Sarwat, S.G. Materials science and engineering of phase change random access memory / S.G. Sarwat // Materials science and technology. – 2017. – V. 33. – I. 16. – P. 1890-1906. DOI: 10.1080/02670836.2017.1341723.
5. Zhang, W. Designing crystallization in phase-change materials for universal memory and neuro-inspired computing/ W. Zhang, R. Mazzarello, M. Wuttig, E. Ma // Nature Reviews Materials. – 2019. – V. 4. – I. 3.
– P. 150-168. DOI: 10.1038/s41578-018-0076-x.
6. Lian, C. Photonic (computational) memories: tunable nanophotonics for data storage and computing / C. Lian, C. Vagionas, T. Alexoudi et. al. // Nanophotonics. – 2022. – V. 11. – I. 17. – P. 3823-3854. DOI: 10.1515/nanoph-2022-0089.
7. Guo, P. A review of germanium-antimony-telluride phase change materials for non-volatile memories and optical modulators / P. Guo, A.M. Sarangan, I. Agha // Applied sciences. – 2019. – V. 9. – I. 3. – Art. № 530. – 26 p. DOI: 10.3390/app9030530.
8. Singh, K. A review on GeTe thin film-based phase-change materials / K. Singh, S. Kumari, H. Singh et al. // Applied Nanoscience. – 2023. – V. 13. – I. 1. – P. 95-110. DOI: 10.1007/s13204-021-01911-7.
9. Sahoo, D. GSST phase change materials and its utilization in optoelectronic devices: A review / D. Sahoo, R. Naik // Materials Research Bulletin. – 2022. – V. 148. – Art. № 111679. – 13 p. DOI: 10.1016/j.materresbull.2021.111679.
10. Bala, N. Recent advances in doped Ge2Sb2Te5 thin film based phase change memories / N. Bala, B. Khan, K. Singh et al. // Materials Advances. – 2023. – V. 4. – I. 3. – P. 747-768. DOI: 10.1039/D2MA01047J.
11. Yang, F. Effect of Si doping on the structure and optical properties of Ge2Sb2Te5 studied by ab initio calculations / F. Yang, X. Tang, T. Chen et al. // Computational Materials Science. – 2019. – V. 168. – P. 253-259. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.05.019.
12. Delaney, M. A new family of ultralow loss reversible phase‐change materials for photonic integrated circuits: Sb2S3 and Sb2Se3 / M. Delaney, I. Zeimpekis, D. Lawson et al. // Advanced Functional Materials.
– 2020. – V. 30. – I. 36. – Art. № 2002447. – 10 p. DOI: 10.1002/adfm.202002447.
13. Wuttig, M. The science and technology of phase change materials / M. Wuttig, S. Raoux // Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. – 2012. – V. 638. – I. 15. – P. 2455-2465. DOI: 10.1002/zaac.201200448.
14. Abdollahramezani, S. Tunable nanophotonics enabled by chalcogenide phase-change materials / S. Abdollahramezani, O. Hemmatyar, H. Taghinejad et al.// Nanophotonics. – 2020. – V. 9. – I. 5. – P. 1189-1241. DOI: 10.1515/nanoph-2020-0039.
15. Kiselev, А.V. Transmissivity to reflectivity change delay phenomenon observed in GeTe thin films at laser-induced reamorphization / A.V. Kiselev, V.A. Mikhalevsky, A.A. Burtsev et al. // Optics & Laser Technology. – 2021. – V. 143. – Art. № 107305. – 6 p. DOI: 10.1016/j.optlastec.2021.107305.
16. Kiselev, А.V. Dynamics of reversible optical properties switching of Ge2Sb2Te5 thin films at laser-induced phase transitions / A.V. Kiselev, V.V. Ionin, A.A. Burtsev, et al. // Optics & Laser Technology. – 2022.
– V. 147. – Art. № 107701. – 6 p. DOI: 10.1016/j.optlastec.2021.107701.
17. Huber, E. Laser-induced crystallization of amorphous GeTe: A time-resolved study / E. Huber, E.E. Marinero // Physical Review B. – 1987. – V. 36. – I. 3. – P. 1595-1604. DOI: 10.1103/PhysRevB.36.1595.
18. Weidenhof, V. Laser induced crystallization of amorphous Ge2Sb2Te5 films/ V. Weidenhof, I. Friedrich, S. Ziegler, M. Wuttig // Journal of Applied Physics. – 2001. – V. 89. – I. 6. – P. 3168-3176. DOI: 10.1063/1.1351868.
19. Колмогоров, А.Н. К статистической теории кристаллизации металлов / А.Н. Колмогоров // Известия Академии наук СССР. Серия математическая. – 1937. – Т. 1. – Вып. 3. – С. 355-359.
20. Avrami, M. Kinetics of phase change. II Transformation‐time relations for random distribution of nuclei / M. Avrami // The Journal of chemical physics. – 1940. – V. 8. – I. 2. – P. 212-224. DOI: 10.1063/1.1750631.
21. Кристиан, Дж.В. Теория превращений в металлах и сплавах. Часть 1. Термодинамика и общая кинетическая теория / Дж.В. Кристиан; пер. с англ. – М: Изд-во «Мир», 1978. – 806 с.
22. Андреева, Л.В. Закономерности кристаллизации растворенных веществ из микрокапли / Л.В. Андреева, А.С. Новоселова, П.В. Лебедев-Степанов и др. // Журнал технической физики. – 2007.
– Т. 77. – № 2. – C. 22-30.
23. Бурцев, А.А. Анализ кристаллических структур на поверхности нержавеющей стали / А.А. Бурцев, О.Я. Бутковский // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 107-114. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.107.
24. Lu, Q.M. Microstructural measurements of amorphous GeTe crystallization by hot‐stage optical microscopy / Q.M. Lu, M. Libera // Journal of Applied Physics. – 1995. – V. 77. – I. 2. – P. 517-521. DOI: 10.1063/1.359034.
25. Zhou, G.F. Materials aspects in phase change optical recording/ G.F. Zhou // Materials Science and Engineering: A. – 2001. – V. 304-306. – P. 73-80. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)01448-9.
26. Yang, I. Effect of doped nitrogen on the crystallization behaviors of Ge2Sb2Te5 / I. Yang, K. Do, H.J. Chang et al. // Journal of The Electrochemical Society. – 2010. – V. 157. – № 4. – P. H483-H486. DOI 10.1149/1.3321759.
27. Do, K. Crystallization behaviors of laser induced Ge2Sb2Te5 in different amorphous states / K. Do, D. Lee, H. Sohn et al. // Journal of The Electrochemical Society. – 2010. – V. 157. – № 3. – P. H264-H267. DOI 10.1149/1.3274225.
28. Ruitenberg, G. Determination of the isothermal nucleation and growth parameters for the crystallization of thin Ge2Sb2Te5 films / G. Ruitenberg, A.K. Petford-Long, R.C. Doole // Journal of Applied Physics. – 2002. – V. 92. – I. 6. – P. 3116-3123. DOI: 10.1063/1.1503166.

Содержание |