First principles simulations of phase change materials for data storage
Silvia Gabardi · BOA (University of Milano-Bicocca) · 2015
I materiali a cambiamento di fase sono calcogenuri a base di tellurio di notevole interesse tecnologico per la realizzazione di memorie ottiche (DVD) e di memorie elettroniche non volatili di nuova concezione, le memorie a cambiamento di fase o PCM. Questi dispositivi si basano su una veloce (50 ns) e reversibile transizione di fase amorfo-cristallo indotta per riscaldamento. Le due fasi corrispondono ai due stati di memoria che possono essere distinti grazie alla grande differenza tra le proprietà ottiche ed elettroniche dell'amorfo e quelle del cristallo. Nonostante il Ge2Sb2Te5 (GST) sia il materiale attualmente usato nelle PCM, si stanno studiando nuovi materiali con una temperatura di cristallizzazione più alta per aumentare la stabilità termica delle PCM. A questo proposito in questa tesi sono state studiate, attraverso simulazioni di dinamica molecolare ab-initio, diverse leghe ad alta temperatura di cristallizzazione con composizione In3Sb1Te2, In13Sb11Te3 e Ga4Sb6Te3. Queste leghe sono state studiate sperimentalmente e proposte come sostituti del GST, ma le proprietà strutturali e l'origine microscopica dell'elevata temperatura di cristallizzazione della fase amorfa di questi composti non è ancora del tutto chiara. Sono stati, quindi, generati modelli di qualche centinaio di atomi della fase amorfa raffreddando dal liquido in centinaia di ps allo scopo di trovare una relazione tra la struttura dell'amorfo e l'alta temperatura di cristallizzazione di queste leghe. La topologia di legame dei modelli amorfi risulta principalmente tetraedrica, molto diversa dalla geometria della fase cristallina che presenta invece intorni ottaedrici. La presenza di strutture tetraedriche nell'amorfo, assenti invece nella fase cristallina, può quindi costituire un ostacolo alla cristallizzazione con l'effetto di innalzare la temperatura di cristallizzazione rispetto al GST che presenta una geometria di legame prevalentemente ottaedrica sia nell'amorfo che nel cristallo. Nella seconda parte di questo lavoro è stato affrontato il problema del drift, che consiste in un aumento della resistenza elettrica della fase amorfa con il tempo. Questo fenomeno rappresenta un problema nelle celle PCM in quanto modifica le caratteristiche elettriche del dispositivo; tuttavia, manca ancora una spiegazione completa del meccanismo microscopico alla base di questo processo. Il drift sembra però legato al fenomeno del rilassamento strutturale che si verifica nei semiconduttori amorfi e che modifica nel tempo gli stati di difetto in prossimità degli edge delle bande di valenza e di conduzione, da cui dipende la conduzione nella fase amorfa. Per studiare il fenomeno del drift sono stati generati modelli di grandi dimensioni (circa duemila atomi) di GeTe amorfo raffreddando dal liquido in 100 ps attraverso simulazioni di dinamica molecolare classica con un potenziale Neural-Network. Una volta rilassati ab-initio, i modelli presentano diversi stati nel gap localizzati su catene di atomi di Ge. Dopo aver riscaldato i modelli a 500 K in modo da accelerare il processo di drift, si osserva una riduzione del numero di catene di Ge e di legami omopolari Ge-Ge con un conseguente allargamento del gap e riduzione dell'ampiezza delle code di Urbach che possono giustificare un aumento della resistenza. Si propone quindi che il drift sia dovuto al rilassamento strutturale della fase amorfa che porta alla riduzione delle catene di legami omopolari di Ge.