Примеси в аморфных Ge2Sb2Te5

Для получения аморфной структуры легированных GST (a-GST), мы имитируем закалку расплава при моделировании молекулярной динамики. Исходная кристаллическая структура содержит 216 атомов GST и 12 атомов легирующей примеси, которые располагаются в одной супер-ячейке.

Моделирование аморфных структур показаны на рисунке 2.5а-2.5г. Основные характеристики могут быть описаны следующим образом:

5. Предпочтительные связи

Во всех случаях связь примесей с определенными видами атомов более преимущественна. В частности, по большей части примеси Si образуют связи с атомами Те в то время как Ge-N и Ge-O связи преобладают в N- и О-легированном GST. Это количественно подтверждено в таблице, которая показывает координационные числа легирующих атомов относительно разрешенных атомов.

Рисунок 2.5 -Моделирование аморфных структур: (a) Si-, (б) N-, и (в) O- легированные GST. Для наглядности отображены только атомы примеси и соседние атомы, (г) функция распределения углов (ADF) вокруг атомов Ge. Положения пиков отмечены в виде вертикальных линий.

2. Характеристика геометрии связей

Как видно из рисунка 2.5а связи атомов Si и Те имеют тетраэдрическую форму. В отличие от атомов Ge, которые проявляются в октаэдрических и тетраэдрических

конфигурациях [51] Это потому, что меньший радиус атома Si способствует соединению sp³с более резонансным видом/» связей На рисунке 2.56, N примеси в основном имеют три плоские связи. Это напоминает локальные структуры В ∕l-Ge3N4.

Координационные числа легирующей примеси N можно объяснить смешанным характером конфигураций Ge в ∕i-Ge3N4, где все атомы Ge тетракоординированные. Однако в охлажденном расплаве GST, существуют как октаэдрические и тетраэдрические конфигурации [70]. Такая обстановка весьма близка к шпинель-типу γ- Ge3N4, который наблюдается при высоких давлениях [67] и является менее стабильной, чем //-GeiN₄на 0,4 эВ в рамках вычислительной схемы. В /'-GeiN₄две трети из атомов Ge будут гексагональную геометрию, а остальные атомы Ge тетраэдрическую. Таким образом, атомы N с четырьмя связями в a-GST можно рассматривать как результат октаэдрических атомов Ge. Локальная конфигурация вокруг примесей О на рисунке 2.5 (в) может быть описана подобными способами, в β-кварцевых GeCh все атомы Ge находятся в тетраэдрических конфигурациях и все атомы О двухвалентны В отличие от этого атомы Ge в рутил GeCb близки к октаэдрической координации и атомы О трехвалентны. Мы находим, что 7 из 12 примесей О являются трехвалентными, что также согласуется с сосуществованием двух различных типов атомов Ge

Таблица 2 1 Координационные числа легирующих добавок, разрешенных относительно соседних видов.

- Дополнительная кластеризация

На рисунке 2.5а- 2.5г видно, что примеси имеют тенденцию группироваться в малых областях у атомов Те или Ge. Состояние исходной структуры было стерто при 2000 К, примеси в кластерах устанавливаются в процессе плавки-охлаждения При внимательном наблюдении за атомными траекториями в молекулярной динамике, мы замечаем, что примеси начинают группироваться при температуре около 700 К в процессе охлаждения. Легирующей кластеризации предполагает, что при повторных циклах перезаписи в конечном итоге происходит разделение фаз легирующих примесей в Ge3N4 или GeCh, таким образом ухудшая производительность устройства. Интересно, что

ни молекулы N2, ни связи N-N не обнаружены в N-легированном GST, хотя формирование N2 молекулы энергетически выгоднее на 0,34 эВ для атомов азота. (Это вычисляется путем:

Это означает, что чтобы сформировать N2 молекулы из атомарно растворенных N атомов энергетический барьер будет значительным, поэтому N2 молекулы не легко генерируется во время работы устройства, что обеспечивает устойчивость легированного хсп

Координационные числа

Координационные числа для Ge, Sb и Те атомы приведены в таблице 2.2 При подсчете Ge, Sb, Те и соседних атомов используется радиус обрезания 3,2A. В Si- легированном GST координационные числа аналогичны тем, которые в нелегированных GST, в то время как количество гомеополярних связей такое же как в Ge-Sb и Ge-Sb (в скобках) и значительно сокращается.

Таблица 2.2 Структурные свойства GST Результаты для с-GST и a-GST

Функция распределения углов.

Известно, что атомы Ge меньше всего претерпевают изменения при аморфизации [55] и поэтому они полезны при проверке природы связей в а-GST.

- Кольцевые структуры и углы связи

Аморфную структуру можно охарактеризовать кольцевые незамкнутые структуры. В частности, квадратные массивы или четырехкратные кольца похожи на кристаллические блоки [52], оказываются важными в a-GST, так как это критически влияет на динамику кристаллизации [56]. В таблице 2.2 числа для четырехкратных колец (N_4r) представлены для легированного и нелегированного a-GST. Цифры в скобках указывают четырехкратное кольцо, которое включает в себя по крайней мере одну присадку. Из-за небольшого атомного радиуса NhOпримесей, в том числе четыре кольца этих примесей существенно отличаются от квадратной формы. Было обнаружено, что N_4rодинакова для всех a-GST структур. Это довольно неожиданный результат учитывая значительное влияние примесей в аморфных структурах. Например, увеличение тетраэдрических атомов Ge указывает, что ковалентную природу атомов Ge увеличивается.

легирования. Это согласуется с экспериментальными данными исследования поглощением рентгеновских лучей тонкой структурой (EXAFS) Результаты работы [73] показали, что N-легирование до 26 ат. % не влияет на длину связей Ge-Te. Поэтому влияние на свойства материала незначительные и дальнейшее увеличение концетрации легирующей примеси не целесообразно.