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Subject: phase transitions × WGL Institute: PDI ×

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    Electrical 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, Raffaella
    Phase 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.
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    Sub-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, Muneaki
    Phase-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.
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    In-situ transmission electron microscopy on high-temperature phase transitions of Ge-Sb-Te alloys
    (Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018) Berlin, Katja
    Das Hochtemperaturverhalten beeinflusst viele verschiedene Prozesse von der Materialherstellung bis hin zur technologischen Anwendung. In-situ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bietet die Möglichkeit, die atomaren Prozesse während struktureller Phasenübergänge direkt und in Realzeit zu beobachten. In dieser Arbeit wurde in-situ TEM angewendet, um die Reversibilität des Schmelz- und Kristallisationsprozesses, sowie das anisotropen Sublimationsverhaltens von Ge-Sb-Te (GST) Dünnschichten zu untersuchen. Die gezielte Probenpräparation für die erfolgreiche Beobachtung der Hochtemperatur-Phasenübergänge wird hervorgehoben. Die notwendige Einkapselung für die Beobachtung der Flüssigphase unter Vakuumbedingungen und die erforderliche sauberer Oberfläche für den Sublimationsprozess werden detailliert beschrieben. Außerdem wird die Elektronenenergieverlustspektroskopie eingesetzt um die lokale chemische Zusammensetzung vor und nach den Übergängen zu bestimmen. Die Untersuchung der Grenzflächenstruktur und Dynamik sowohl beim Phasenübergang fest-flüssig als auch flüssig-fest zeigt Unterschiede zwischen den beiden Vorgängen. Die trigonale Phase von GST weist beim Schmelzen eine teilweise geordnete Übergangszone an der fest-flüssig-Grenzfläche auf, während ein solcher Zwischenzustand bei der Erstarrung nicht entsteht. Außerdem läuft der Schmelzvorgang zeitlich linear ab, während die Kristallisation durch eine Wurzelabhängigkeit von der Zeit mit überlagerter Start-Stopp-Bewegung beschrieben werden kann. Der Einfluss der Substrat-Grenzfläche wird diskutiert und die Oberflächenenergie von GST bestimmt. Die anisotrope Dynamik führt beim Phasenübergang fest-gasförmig der kubischen Phase von GST zur Ausbildung stabiler {111} Facetten. Dies erfolgt über die Bildung von Kinken und Stufen auf stabilen Terrassen. Die Keimbildungsrate und die bevorzugten Keimbildungsorte der Kinken wurden identifiziert und stimmen mit den Voraussagen des Terrassen-Stufen-Kinken Modells überein.