Inorganic MaterialsInorganic MaterialsНеорганические материалы0002-337X3034-5588The Russian Academy of Sciences68357010.31857/S0002337X24090045LMHSREArticlesСтатьиResearch ArticleОсобенности изменения электрофизических свойств при фазовом переходе кристалл–расплав в объемном Ge2Sb2Te5Особенности изменения электрофизических свойств при фазовом переходе кристалл–расплав в объемном Ge2Sb2Te5ЛазаренкоП. И.
Russian Federation
lpi@org.miet.ruНациональный исследовательский университет “МИЭТ”14102024609-101100111009062025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0002-337X/article/view/683570

В работе исследован фазовый переход кристалл–расплав в синтезированном поликристаллическом материале Ge2Sb2Te5 с пр. гр. P3m1 с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии, а также стенда для измерения температурных зависимостей электрического сопротивления в диапазоне от комнатной температуры до 750°С. Установлены характерные температуры и энтальпия процесса плавления, процесс плавления данного материала классифицирован как фазовый переход типа полупроводник–полупроводник. Сделан вывод о сохранении преимущественно ковалентной составляющей межатомного взаимодействия при переходе кристаллического материала в расплав.

В работе исследован фазовый переход кристалл–расплав в синтезированном поликристаллическом материале Ge2Sb2Te5 с пр. гр. P3m1 с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии, а также стенда для измерения температурных зависимостей электрического сопротивления в диапазоне от комнатной температуры до 750°С. Установлены характерные температуры и энтальпия процесса плавления, процесс плавления данного материала классифицирован как фазовый переход типа полупроводник–полупроводник. Сделан вывод о сохранении преимущественно ковалентной составляющей межатомного взаимодействия при переходе кристаллического материала в расплав.

фазопеременные материалыполикристаллический материалGe2Sb2Te5фазовые переходыплавлениеэлектрические свойстваРоссийский Научный ФондRussian Science Foundation20-79-10322Министерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science And Higher Education of the Russian FederationSilver D., Huang A., Maddison C., Guez A. Mastering the Game of Go with Deep Neural Networks and Tree Search // Nature. 2016. V. 529. P. 484–489. https://doi.org/10.1038/nature16961Козюхин С.А., Лазаренко П.И., Попов А.И., Еременко И.Л. Материалы фазовой памяти и их применение // Успехи химии. 2022. Т. 91. № 9. С. 1–38. https://doi.org/10.1070/RCR5033Guo P., Sarangan A.M., Agha I. A Review of Germanium-Antimony-Telluride Phase Change Materials for Non-Volatile Memories and Optical Modulators // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 530. P. 1–26. https://doi.org/10.3390/app9030530Lotnyk A., Behrens M., Rauschenbach B. Phase Change Thin Films for Non-Volatile Memory Applications // Nanoscale Adv. 2019. V. 1. № 10. P. 3836–3857. https://doi.org/10.1039/C9NA00366ESong Z., Cai D., Cheng Y., Wang L., Lv S., Xin T., Feng G. 12-state Multi-Level Cell Storage Implemented in a 128 Mb Phase Change Memory Chip // Nanoscale. 2021. V. 13. № 9. P. 10455–10461. https://doi.org/10.1039/D1NR00100KLazarenko P., Kovalyuk V., An P., Prokhodtsov A., Golikov A., Sherchenkov A., Kozyukhin S., Fradkin I., Chulkova G., Goltsman G. Size Effect of the Ge2Sb2Te5 Cell Atop The Silicon Nitride O-ring Resonator on the Attenuation Coefficient // APL Mater. 2021. V. 9. № 12. P. 1–8. https://doi.org/10.1063/5.0066387Lazarenko P., Kovalyuk V., An P., Kozyukhin S., Takátse V., Golikov A., Glukhenkaya V., Vorobyov Y., Kulevoy T., Prokhodtsov A., Sherchenkov A., Goltsman G. Low Power Reconfigurable Multilevel Nanophotonic Devices Based on Sn-doped Ge2Sb2Te5 Thin Films // Acta Mater. 2022. V. 234. P. 117994. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117994Заботнов С.В., Кашкаров П.К., Колобов А.В., Козюхин С.А. Структурные превращения и формирование микро- и наноструктур в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников // Российские нанотехнологии. 2023. T. 18. № 6. С. 723–736. https://doi.org/10.56304/S1992722323060158Abdollahramezani S., Hemmatyar O., Taghinejad M., Taghinejad H., Krasnok A.E., Eftekhar A.A., Teichrib C., Deshmukh S., El-Sayed M.A., Pop E., Wuttig M., Alu A., Cai W., Adibi A. Electrically Driven Reprogrammable Phase-Change Metasurface Reaching 80% Efficiency // Nat. Commun. 2022. V. 13. № 1. P. 1696. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29374-6Zhang Y., Fowler C., Liang J., Azhar B., Shalaginov M.Y., Deckoff-Jones S., An S., Chou J.B., Roberts C.M., Liberman V., Kang M., Ríos C., Richardson K.A., Rivero-Baleine C., Gu T., Zhang Z., Hu J. Electrically Reconfigurable Non-Volatile Metasurface Using Low-Loss Optical Phase-Change Material // Nat. Nanotechnol. 2021. V. 16. № 6. P. 661–666. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00881-9Cheng H.Y., Carta F., Chien W., Lung H., Brightsky M.J. 3D Cross-Point Phase-Change Memory for Storage-Class Memory // J. Phys D.: Appl. Phys. 2019. V. 52. № 47. P. 473002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab39a0Ielmini D., Lacaita A.L. Phase Change Materials in Non-Volatile Storage // Mater. Today. 2011. V. 14. № 12. P. 600–607. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(11)70301-7Лазаренко П.И., Воробьев Ю.В., Федянина М.Е., Шерченков А.А., Козюхин С.А., Якубов А.О., Кукин А.В., Зыбина Ю.С., Сагунова И.В. Особенности определения оптической ширины запрещенной зоны тонких пленок материалов фазовой памяти // Перспективные материалы. 2019. № 10. С. 14–25. https://www.doi.org/10.30791/1028-978X-2019-10-14-25Burtsev A.A., Kiselev A.V., Ionin V.V., Eliseev N.N., Fedyanina M.E., Mikhalevsky V.A., Nevzorov A.A., Novodvorsky O.A., Lotin A.A. Controlled Optical Contrast Caused by Reversible Laser-Induced Phase Transitions in GeTe and Ge2Sb2Te5 Thin Films in the Spectral Range from 500 to 20,000 nm // J. Russ. Laser Res. 2023. V. 44. № 6. P. 700–706. https://doi.org/10.1007/s10946-023-10180-4Zhang W., Mazzarello M., Ma E. Phase-Change Materials in Electronics and Photonics // MRS Bull. 2019. V. 44. P. 686–690. https://doi.org/10.1557/mrs.2019.201Шелимова Л.Е., Карпинский О.Г., Константинов П.П., Кретова М.А., Авилов Е.С., Земсков В.С. Состав и свойства слоистых соединений в системе GeTe–Sb2Te3 // Неорган. материалы. 2001. Т. 37. № 4. С. 421–427.Федянина М.Е., Лазаренко П.И., Воробьев Ю.В., Козюхин С.А., Дедкова А.А., Якубов А.О., Левицкий В.С., Сагунова И.В., Шерченков А.А. Влияние степени кристалличности на дисперсию оптических параметров тонких пленок фазовой памяти Ge2Sb2Te5 // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 3. С. 203–218.Joo Y.C., Yang T.Y., Cho J.Y., Park Y.J. Electromigration in Molten-phase Ge2Sb2Te5 and Effects of Doping on Atomic Migration Rate // J. Korean Ceram. Soc. 2012. V. 49. № 1. P. 43–47. https://doi.org/10.4191/kcers.2012.49.1.043Tripathi S., Kotula P., Singh M. K., Ghosh C., Bakan G., Silva H., Carter C. B. Role of Oxygen on Chemical Segregation in Uncapped Ge2Sb2Te5 Thin Films on Silicon Nitride // J. Solid State Sci. Technol. 2020. V. 9. № 5. P. 54007. https://doi.org/10.1149/2162-8777/ab9a19Baek K., Song K., Son S.K., Oh J.W., Jeon S.J., Kim W. Microstructure-Dependent DC Set Switching Behaviors of Ge–Sb–Te-based Phase-Change Random Access Memory Devices Accessed by in situ TEM // NPG Asia Mater. 2015. V. 7. № 6. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/am.2015.49Xu Q., Lian E., Yeoh Ph., Skowronski M. Segregation-induced Ge Precipitation in Ge2Sb2Te5 and N-doped Ge2Sb2Te5 Line Cells // AIP Adv. 2022. V. 12. № 6. P. 1–7. https://doi.org/10.1063/5.0087570Oh S.H., Baek K., Son S.K., Song K., Oh J.W., Jeon S.J., Lee K.J. In Situ TEM Observation of Void Formation and Migration in Phase Change Memory Devices with Confined Nanoscale Ge2Sb2Te5 // Nanoscale Adv. 2020. V. 2. № 9. P. 3841–3848. https://doi.org/10.1039/D0NA00223BАбрикосов Н.Х., Данилова-Добрякова Г.Т. Исследование диаграммы состояния Sb2Te3–GeTe // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1965. Т. 1. № 2. С. 204–208.Абрикосов Н.Х., Данилова-Добрякова Г.Т. Исследование тройной системы Ge–Sb–Te // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1970. Т. 6. № 3. С. 475–481.Legendre B., Hancheng B., Bordas S., Clavaguera-Mora M.T. Phase Diagram of the Ternary System Ge–Sb–Te: I. The Subternary GeTe–Sb2Te3–Te // Thermochim. Acta. 1984. V. 78. P. 141–157.Косяков В.И., Шестаков В.А., Шелимова Л.Е., Кузнецов Ф.А., Земсков В.С. Топология фазовой диаграммы системы Ge–Sb–Te // Неорган. материалы. 2000. Т. 36. № 10. С. 1196–1209.Muneer S., Scoggin J., Dirisaglik F., Adnane L., Cywar A., Bakan G., Cil K., Lam C., Silva H., Gokirmak A. Activation Energy of Metastable Amorphous Ge2Sb2Te5 from Room Temperature to Melt // AIP Adv. 2018. V. 8. № 6. P. 65–70. https://doi.org/10.1063/1.5035085Endo R., Maeda S., Jinnai Y., Lan R., Kuwahara M., Kobayashi Y., Susa M. Electric Resistivity Measurements of Sb2Te3 and Ge2Sb2Te5 Melts Using Four-Terminal Method // Jpn. J. Appl. Phys. 2010. V. 49. № 6. P. 065802. https://doi.org/10.1143/JJAP.49.065802Cil K., Dirisaglik F., Adnane L., Wennberg M., King A., Faraclas A., Akbulut M. B., Zhu Y., Lam C., Gokirmak A., Silva H. Electrical Resistivity of Liquid Ge2Sb2Te5 Based on Thin-Film and Nanoscale Device Measurements // IEEE Trans. Electron. Devices. 2013. V. 60. № 1. P. 433–437. https://doi.org/10.1109/ted.2012.2228273Wei S., Coleman G., Lucas P., Angell A. Glass Transitions, Semiconductor-Metal Transitions, and Fragilities in Ge−V−Te (V = As, Sb) Liquid Alloys: The Difference One Element Can Make // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 8. P. 049901. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.034035Лазаренко П.И. Измерительный комплекс для исследования температурных зависимостей электрического сопротивления халькогенидных материалов в твердом и жидком состояниях // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 2. С. 158–167. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-2-158-167Казанджан Б.И. Методика исследования эффекта Холла в жидких полупроводниках // Заводская лаборатория. 1979. Т. 45. № 5. С. 433–435.Golovchak R., Choi Y.G., Kozyukhin S., Chigirinsky Yu., Kovalskiy A., Xiong-Skiba P., Trimble J., Pafchek R., Jain H. Oxygen Incorporation into GST Phase-change Memory Matrix // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 332. P. 533–541. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.01.203Noe P., Sabbione C., Bernier N., Castellani N., Fillot F., Hippert F. Impact of Interfaces on Scenario of Crystallization of Phase Change Materials // Acta Mater. 2016. V. 110. № 16. P. 142–148. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.03.022Kim Y., Park S., Baeck J.H., Noh M.K. Phase Separation of a Ge2Sb2Te5 Alloy in the Transition from an Amorphous Structure to Crystalline Structures // J. Vac. Sci. Technol., A. 2006. V. 24. № 4. P. 929–933. https://doi.org/10.1116/1.2198869Zhang T., Bo L., Song Z.-T., Liu W.-L. Phase Transition Phenomena in Ultra-thin Ge2Sb2Te5 Films // Chin. Phys. Lett. 2005. V. 22. № 7. P. 1803–1805. https://doi.org/10.1088/0256-307X/22/7/067Yamada N., Ohno E., Nishiuchi K., Akahira N., Masatoshi T. Rapid-phase Transitions of GeTe–Sb2Te3 Pseudobinary Amorphous Thin Films for an Optical Disk Memory // J. Appl. Phys. 1991. V. 69. № 5. P. 2849–2856. https://doi.org/10.1063/1.348620Yu W., Yi X., Wright C.D. Analysis of Crystallization Behavior of Ge2Sb2Te5 Used in Optical and Electrical Memory Devices // J. Chem. Pharm. Res. 2014. V. 6. № 7. P. 415–424.Регель А.Р., Глазов В.М. Физические свойства электронных расплавов. М.: Наука, 1980. 296 c.Kolobov A.V., Fons P., Krbal M., Simpson R.E., Hosokawa S., Uruga T., Tanida H., Tominaga J. Liquid Ge2Sb2Te5 Studied by Extended X-Ray Absorption // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. № 24. P. 241902. https://doi.org/10.1063/1.3272680