Дослідження напівпровідник-метал переходу за рахунок електроних дірок у матеріалах з фазовою пам’яттю

Короткий зміст

Evidence for electronic gap-driven metal-semiconductor transition in phase-change materials

Dmitry Shakhvorostov, Razvan A. Nistora, Lia Krusin-Elbaum, Glenn J. Martyna, Dennis M. Newns,

Bruce G. Elmegreen, Xiao-hu Liu, Zak E. Hughesa, Sujata Paul, Cyril Cabral, Simone Raoux, David B. Shrekenhamer, Dimitri N. Basov, Young Songe, and Martin H. Musera

Department of Applied Mathematics, University of Weste
Ontario, London, ON, Canada N6A5B7; bIBM T. J. Watson Research Center, Yorktown Heights, NY 10598; IBM Almaden Research Center, San Jose, CA 95120; Physics Department, University of Califo
ia at San Diego, La Jolla, CA 92093; and Department of Chemistry, University of Weste
Ontario, London, ON, Canada N6A5B

Дослідження напівпровідник-метал переходу за рахунок електроних дірок у матеріалах з фазовою пам’яттю

Головною особливістю матеріалів, що мають фазову пам'ять, є здатність при зміні температури швидко змінювати свій стан з металічного (кристалічного) на напівпровідниковий (аморфний). Для дослідження природи фазового переходу був обраний напівпровідниковий матеріал – cплав GeSb, що здатен швидко перетворюватись під дією температури або тиску зі стану з упорядкованою кристалічною структурою та низьким електричним опором у фазу аморфного стану зі значно більшим опором. Порівняно з іншими напівпровідниками GeSb має 2 основні переваги: відносно вільну будову (кристалічна гратка побудована лише з Ge та Sb, отже при переході з одного стану в інший значно не змінюється опір та щільність - аморфний стан на 8% менш щільний за кристалічний) та високу швидкість кристалізації. Кожен стан стабільний та не потребує піддтримання електричного поля, отже «пам'ять» стану енергонезалежна. Фаза переходу залежить від характеру електричного імпульсу, що нагріває напівпровідник. При швидкому обриванні атоми «заморожуються» у хаотичному положенні, а при повільному вимкненні (протягом більше 10нс) вони встигають перебудуватись у кристалічні гратки. Експериментально доведено, що перехід має електронну природу та структурні перебудови при переході у аморфний стан, що характеризуються змінами провідності, загальної енергії системи та перебудови атомів, відбуваються за рахунок появи енергетичних дірок у електронній густині. Отже, електронна природа фазових переходів досліджуваного класу матеріалів потенційно можу бути використана у майбутніх розробках нового типу енергонезалежних носіїв інформації.