Влияние примесей на параметры решетки

Искажения решетки, вызванные примесями влияют на параметры решетки. Для того, чтобы проанализировать это количественно, мы рассмотрим кристаллические структуры при высокой концентрации легирования На рисунке 2.3, изменение параметров решетки вычисляются, когда четыре или восемь атомов легирующий примеси вводятся в каждую

элементарную ячейку из 72 атомов с определенным типом легирования, что соответствует концентрации от 5 до 10 ат.

Рис. 2.3. Зависимость параметра решетки (a) Si-, (б) N- и О- (в) легированного кристаллического Ge2Sb2Te5 относительно концентрации легирующей примеси. В (а) и (б) представлены экспериментальные данные.

Несмотря на химическое разнообразие между изучаемыми примесями, параметры кристаллической решетки на рисунке 2.3 показывают систематическое поведение, общее для всех примесей. Все примеси приводят к увеличению размеров решетки. Увеличение особенно заметны Sij из-за большого размера атома. В противоположность этому, наиболее стабильная примесь SiGe уменьшает размеры решетки, так как размер атома кремния меньше, чем у Ge. В работе [46] параметры решетки Si-легированного C-GST были измерены по отношению к концентрации легирующей примеси, и они обозначены пустыми кружками на рисунке За. Это увеличение не объясняется Sio_eпримесями и может указывать на наличие некоторого количества Si_vacили Sij.

Эти экспериментальные изменения хорошо объясняются Nj-примесями, подтверждая, что значительное количество примесей N существует в атомных состояниях. (Тем не менее, мы также отмечаем, что в эксперименте не наблюдалось заметное изменение параметра решетки). Наличие примесей в междоузлиях показывает, что примеси не нарушают значительно оригинальную стехиометрию GST решетки.

2.1.3. Электронные структуры легированного кристаллического Ge2Sb2Te5

Чтобы исследовать, как влияют примеси электронных структур на кристаллический C- GST, мы рассчитываем плотности состояний (DOS) (рисунок 2 4) в супер-ячейке из 72 атомов с примесью по 4 стабильным точкам легирования (5 ат.% концентрации легирования). Для сравнения показана на рисунке 2.4 плотность состояний для нелегированного с-GST Для анализа локализации электронов, отложим на правой шкале значения коэффициента (IPR), который определяется следующим образом:

гдеуказывает на вес /-го атома. Коэффициент IPR предоставляет удобный

способ для изучения пространственной локализации квантового состояния Например, если волновая функция равномерно распределена по атомам N, то IPR равна 1 / N.

На рисунке 2.4 Sio_cи Nj примеси уменьшили энергетическую щель, а примеси Oy_e увеличили разрыв. Чтобы связать электронные структуры со свойствами материала, мы рассчитываем оптическую диэлектрическую проницаемостьСреднее значение указано на каждом графике.

соответствии с изменением энергетической щели, происходит потому что уменьшение энергетической щели облегчает электронную поляризацию. Однако эксперимент в работе [45] показал, что показатель ε^c0с-GST был увеличен с увеличением примесей. Это означает, что изменение макроскопической морфологии, например размер зерна, будет также влиять на значение диэлектрической постоянной. В случае N легирования, ε^oc'снижается, несмотря на уменьшение зазора щели.

Рис. 2.4. Плотность состояний C-GST: (а) без примеси, (б) SiGe, (в) Ni, и (г) OTe. Коэффициент IPR отмечен на правой шкале.

Это связано с усилением электронной локализации (см. ниже) вблизи валентной зоны и зоны проводимости по сравнению с нелегированный GST.

Увеличение IPR у края валентной зоны Ni и Оте означает, что электроны в этой области энергий более локализованы, чем соответствующие состояния в нелегированных C-GST. Из анализа пространственного распределения волновых функций, эти состояния оказываются распределены по Ipи 5р орбиталям примеси Те. Это хорошо известно, что C-GST ведет себя как полупроводникр-типа [64, 65], что связано с образованием вакансий у Ge[66]. Таким образом, локализованные состояния вблизи границы валентной зоны Ni и Оте примеси будут играть как сильные центры рассеяния для p-типа проводимости в C- GST. Это согласуется с экспериментом и показывает, что удельное сопротивление C-GST возрастает при легировании [66, 67-69]. В отличие от этого влияние Sioe примесей на проводимость с-GST будет относительно слабым, поскольку IPR очень похожа на нелегированный C-GST. Это было обнаружено в работе [34] и видно, что N-легированный C-GST обладает большим сопротивлением, чем Si-легированные образцы с похожими концентрации легирования.

2.1.2.