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- ItemThermal annealing studies of GeTe-Sb2Te3 alloys with multiple interfaces(New York : American Institute of Physics, 2017) Bragaglia, Valeria; Mio, Antonio M.; Calarco, RaffaellaA high degree of vacancy ordering is obtained by annealing amorphous GeTe-Sb2Te3 (GST) alloys deposited on a crystalline substrate, which acts as a template for the crystallization. Under annealing the material evolves from amorphous to disordered rocksalt, to ordered rocksalt with vacancies arranged into (111) oriented layers, and finally converts into the stable trigonal phase. The role of the interface in respect to the formation of an ordered crystalline phase is studied by comparing the transformation stages of crystalline GST with and without a capping layer. The capping layer offers another crystallization interface, which harms the overall crystalline quality.
- ItemEpitaxial growth and ultrafast dynamics of GeSbTe alloys and GeTe/Sb2Te3 superlattices(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2017) Bragaglia, ValeriaIn dieser Arbeit wird das Wachstum von dünnen quasi-kristallinen Ge-Sb-Te (GST) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie demonstriert, die zu einer geordneten Konfiguration von intrinsischen Kristallgitterfehlstellen führen. Es wird gezeigt, wie es eine Strukturanalyse basierend auf Röntgenstrahlbeugungssimulationen, Dichtefunktionaltheorie und Transmissionselektronenmikroskopie ermöglicht, eine eindeutige Beurteilung der Kristallgitterlückenanordnung in den GST-Proben vorzunehmen. Das Verständnis für die Ordnungsprozesse der Gitterfehlstellen erlaubt eine gezielte Einstellung des Ordnungsgrades selbst, der mit der Zusammensetzung und der Kristallphase des Materials in Zusammenhang steht. Auf dieser Basis wurde ein Phasendiagramm mit verschiedenen Wachstumsfenstern für GST erstellt. Des Weiteren wird gezeigt, dass man eine hohe Ordnung der Gitterfehlstellen in GST auch durch Ausheizprozesse und anhand von Femtosekunden-gepulster Laserkristallisation von amorphem Material erhält, das zuvor auf einem als Kristallisationsgrundlage dienenden Substrat abgeschiedenen wurde. Diese Erkenntnis ist bemerkenswert, da sie zeigt, dass sich kristalline GST Schichten mit geordneten Kristallgitterlücken durch verschiedene Herstellungsprozesse realisieren lassen. Darüber hinaus wurde das Wachstum von GeTe/Sb2Te3 Übergittern durchgeführt, deren Struktur die von GST mit geordneten Gitterfehlstellen widerspiegelt. Die Möglichkeit den Grad der Gitterfehlstellenordung in GST gezielt zu manipulieren wurde mit einer Studie der Transporteigenschaften kombiniert. Die Anwendung von großflächigen Charakterisierungsmethoden wie XRD, Raman und IR-Spektroskopie, erlaubte die Bestimmung der Phase und des Fehlstellenordnungsgrades von GST und zeigte eindeutig, dass die Fehlstellenordnung für den Metall-Isolator-Übergang (MIT) verantwortlich ist. Insbesondere wird durch das Vergleichen von XRD-Messungen mit elektrischen Messungen gezeigt, dass der Übergang von isolierend zu leitend erfolgt, sobald eine Ordnung der Kristallgitterlücken einsetzt. Dieses Phänomen tritt in der kubischen Kristallphase auf, wenn Gitterfehlstellen in GST von einem ungeordneten in einen geordneten Zustand übergehen. Im zweiten Teil des Kapitels wird eine Kombination aus FIR- und Raman-Spektroskopie zur Untersuchung der Vibrationsmoden und des Ladungsträgerverhaltens in der amorphen und der kristallinen Phase angewendet, um Aktivierungsenergien für die Elektronenleitung, sowohl für die kubische, als auch für die trigonale Kristallphase von GST zu bestimmen. Hier ist es wichtig zu erwähnen, dass, in Übereinstimmung mit Ergebnissen aus anderen Untersuchungen, das Auftauchen eines MIT beim Übergang zwischen der ungeordneten und der geordneten kubischen Phase beobachtet wurde. Schlussendlich wurden verschiedene sogenannte Pump/Probe Technik, bei der man das Material mit dem Laser anregt und die Röntgenstrahlung oder Terahertz (THz)-spektroskopie als Sonde nutzt, angewandt. Dies dient um ultra-schnelle Dynamiken zu erfassen, die zum Verständnis der Umschaltmechanismen nötig sind. Die Empfindlichkeit der THz-Messungen hinsichtlich der Leitfähigkeit, sowohl in GST, als auch in GeTe/Sb2Te3 Übergittern zeigte, dass die nicht-thermische Natur der Übergitterumschaltprozesse mit Grenzflächeneffekten zusammenhängt und . Der Ablauf wird mit beeindruckender geringer Laser-Fluenz erreicht. Dieses Ergebnis stimmt mit Berichten aus der Literatur überein, in denen ein Kristall-zu Kristallwechsel von auf Übergittern basierenden Speicherzellen für effizienter gehalten wird als GST Schmelzen, was zu einen ultra-schwachen Energieverbrauch führt.
- ItemElectrical and optical properties of epitaxial binary and ternary GeTe-Sb2Te3 alloys(London : Nature Publishing, 2018) Boschker, Jos E.; Lü, Xiang; Bragaglia, Valeria; Wang,Ruining; Grahn, Holger T.; Calarco, RaffaellaPhase change materials such as pseudobinary GeTe-Sb2Te3 (GST) alloys are an essential part of existing and emerging technologies. Here, we investigate the electrical and optical properties of epitaxial phase change materials: α-GeTe, Ge2Sb2Te5 (GST225), and Sb2Te3. Temperature-dependent Hall measurements reveal a reduction of the hole concentration with increasing temperature in Sb2Te3 that is attributed to lattice expansion, resulting in a non-linear increase of the resistivity that is also observed in GST225. Fourier transform infrared spectroscopy at room temperature demonstrates the presence of electronic states within the energy gap for α-GeTe and GST225. We conclude that these electronic states are due to vacancy clusters inside these two materials. The obtained results shed new light on the fundamental properties of phase change materials such as the high dielectric constant and persistent photoconductivity and have the potential to be included in device simulations.
- ItemSub-nanometre resolution of atomic motion during electronic excitation in phase-change materials(London : Nature Publishing, 2016) Mitrofanov, Kirill V.; Fons, Paul; Makino, Kotaro; Terashima, Ryo; Shimada, Toru; Kolobov, Alexander, V.; Tominaga, Junji; Bragaglia, Valeria; Giussani, Alessandro; Calarco, Raffaella; Riechert, Henning; Sato, Takahiro; Katayama, Tetsuo; Ogawa, Kanade; Togashi, Tadashi; Yabashi, Makina; Wall, Simon; Brewe, Dale; Hase, MuneakiPhase-change materials based on Ge-Sb-Te alloys are widely used in industrial applications such as nonvolatile memories, but reaction pathways for crystalline-to-amorphous phase-change on picosecond timescales remain unknown. Femtosecond laser excitation and an ultrashort x-ray probe is used to show the temporal separation of electronic and thermal effects in a long-lived (>100 ps) transient metastable state of Ge2Sb2Te5 with muted interatomic interaction induced by a weakening of resonant bonding. Due to a specific electronic state, the lattice undergoes a reversible nondestructive modification over a nanoscale region, remaining cold for 4 ps. An independent time-resolved x-ray absorption fine structure experiment confirms the existence of an intermediate state with disordered bonds. This newly unveiled effect allows the utilization of non-thermal ultra-fast pathways enabling artificial manipulation of the switching process, ultimately leading to a redefined speed limit and improved energy efficiency and reliability of phase-change memory technologies.
- ItemMetal - Insulator transition driven by vacancy ordering in GeSbTe phase change materials(London : Nature Publishing Group, 2016) Bragaglia, Valeria; Arciprete, Fabrizio; Zhang, Wei; Mio, Antonio Massimiliano; Zallo, Eugenio; Perumal, Karthick; Giussani, Alessandro; Cecchi, Stefano; Boschker, Jos Emiel; Riechert, Henning; Privitera, Stefania; Rimini, Emanuele; Mazzarello, Riccardo; Calarco, RaffaellaPhase Change Materials (PCMs) are unique compounds employed in non-volatile random access memory thanks to the rapid and reversible transformation between the amorphous and crystalline state that display large differences in electrical and optical properties. In addition to the amorphous-to-crystalline transition, experimental results on polycrystalline GeSbTe alloys (GST) films evidenced a Metal-Insulator Transition (MIT) attributed to disorder in the crystalline phase. Here we report on a fundamental advance in the fabrication of GST with out-of-plane stacking of ordered vacancy layers by means of three distinct methods: Molecular Beam Epitaxy, thermal annealing and application of femtosecond laser pulses. We assess the degree of vacancy ordering and explicitly correlate it with the MIT. We further tune the ordering in a controlled fashion attaining a large range of resistivity. Employing ordered GST might allow the realization of cells with larger programming windows.
- ItemRevisiting the local structure in Ge-Sb-Te based chalcogenide superlattices(London : Nature Publishing Group, 2016) Casarin, Barbara; Caretta, Antonio; Momand, Jamo; Kooi, Bart J.; Verheijen, Marcel A.; Bragaglia, Valeria; Calarco, Raffaella; Chukalina, Marina; Yu, Xiaoming; Robertson, John; Lange, Felix R.L.; Wuttig, Matthias; Redaelli, Andrea; Varesi, Enrico; Parmigiani, Fulvio; Malvestuto, MarcoThe technological success of phase-change materials in the field of data storage and functional systems stems from their distinctive electronic and structural peculiarities on the nanoscale. Recently, superlattice structures have been demonstrated to dramatically improve the optical and electrical performances of these chalcogenide based phase-change materials. In this perspective, unravelling the atomistic structure that originates the improvements in switching time and switching energy is paramount in order to design nanoscale structures with even enhanced functional properties. This study reveals a high- resolution atomistic insight of the [GeTe/Sb2Te3] interfacial structure by means of Extended X-Ray Absorption Fine Structure spectroscopy and Transmission Electron Microscopy. Based on our results we propose a consistent novel structure for this kind of chalcogenide superlattices.