Nanostrukturforschung und Elektronenmikroskopie

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Lokale Struktur von Phasenwechselmaterialien und Van-der-Waals-gebundenen Chalkogenid-basierten Heterostrukturen für Speicheranwendungen

In den letzten Jahren erregten Phasenwechselmaterialien auf Chalcogenidbasis aufgrund ihrer wichtigen optischen und elektronischen Eigenschaften viel Aufmerksamkeit. Die Legierungen weisen einzigartige Materialeigenschaften auf und werden als aktive Schicht zur Datenspeicherung in der Phase Change Memory (PCM)-Technologie (z.B. Intel Optane Memroy) eingesetzt. Derzeit basiert das Phase Change Random Access Memory (PCRAM) auf dem reversiblen Übergang zwischen amorphem und kristallinem Zustand. Hierbei ist der hohe Stromverbrauch jedoch problematisch. Die nanoskalige Entwicklung von Phasenwechselmaterialien hat sich als vielversprechender Ansatz für die Weiterentwicklung der Materialien mit geringerem Stromverbrauch erwiesen. Dieser Ansatz basiert auf der Synthese von Chalkogenid-basierten Übergittern (SLs), auch bekannt als interfacial-PCM (iPCM). Diese Leistungssteigerung wird darauf zurückgeführt, dass das Schalten in iPCM-Zellen ein schmelzfreier Mechanismus ist. Darüber hinaus werden Speichergeräte, die auf rein kristallinen Strukturen basieren, zusätzlich von einem sehr stabilen Widerstand profitieren. Theoretische Modelle des reversiblen Schalt- und Widerstandskontrasts in SLs konzentrieren sich auf die Stapelfolge bestimmter Schichten. Daher ist die Kenntnis der korrekten lokalen atomaren Anordnung in Materialien auf Chalcogenidbasis von größter Bedeutung für das Verständnis der Schaltmechanismen und ihrer Materialeigenschaften sowie für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserten Eigenschaften.

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe zielen darauf ab, das Zusammenspiel von Wachstum, lokaler Struktur und Eigenschaften von Chalcogenidbasierten Phasenwechsellegierungen zu verstehen. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um epitaktische Chalkogenid-basierte Dünnschichten und SLs, die durch gepulste Laserabscheidung (in Zusammenarbeit mit dem FuE-Schwerpunkt Nichtthermische Schichtdeposition und Nanostrukturen) hergestellt wurden. Die lokale Struktur wird durch die Kombination von modernster Transmissionselektronenmikroskopie und theoretischer Bildsimulation detailliert untersucht und sichtbar gemacht.

 

 

 

Ausgewählte Publikationen

  • A. Lotnyk, I. Hilmi, U. Roß, B. Rauschenbach
    Van der Waals interfacial bonding and intermixing in GeTe-Sb2Te3-based superlattices

    Nano Res. 11 (2018) 1676-1686
    doi.org/10.1007/s12274-017-1785-y

  • M. Behrens, A. Lotnyk, U. Roß, J. Griebel, P. Schumacher, J. W. Gerlach, B. Rauschenbach
    Impact of disorder on optical reflectivity contrast of epitaxial Ge2Sb2Te5 thin films

    CrystEngComm 20 (2018) 3688 – 3695
    10.1039/C8CE00534F

  • I. Hilmi, A. Lotnyk, J. W. Gerlach, P. Schumacher, B. Rauschenbach
    Epitaxial formation of cubic and trigonal Ge-Sb-Te thin films with heterogeneous vacancy structures
    Mater. Design 115 (2017) 138-146
    doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.003

  • N.S. Gunning, T. Dankwort, M. Falmbigl, U. Roß, G. Mitchson, D.M. Hamann, A. Lotnyk, L. Kienle, D.C. Johnson
    Expanding the concept of van der Waals heterostructures to interwoven 3D Structures
    Chem. Mater. 29 (2017) 8292-8298
    https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.7b02605

  • A. Lotnyk, U. Roß, S. Bernütz, E. Thelander, B. Rauschenbach
    Evaluation of local atomic arrangements and lattice distortions in layered Ge-Sb-Te crystal structures
    Sci. Rep. 6 (2016) 26724
    https://doi.org/10.1002/9783527808465.EMC2016.6108

  • U. Roß, A. Lotnyk, E. Thelander, B. Rauschenbach
    Microstructure evolution in pulsed laser deposited epitaxial Ge-Sb-Te chalcogenide thin films
    Journal of Alloys and Compounds 676 (2016) 582-590
    doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.03.159

  • U. Roß, A. Lotnyk, E. Thelander, B. Rauschenbach
    Direct imaging of crystal structure and defects in metastable Ge2Sb2Te5 by quantitative aberration-corrected scanning transmission electron microscopy
    Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 121904
    https://doi.org/10.1063/1.4869471