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Cinétique de cristallisation du Ge2Sb2Te5 dopé à l’azote

Renforcer la cristallisation « dominée par la nucléation » des alliages Ge2Sb2Te5 par le dopage à l’azote

par Guy Molénat - publié le

Le dopage à l’azote est connu pour améliorer de manière significative certaines caractéristiques clés des dispositifs PCM, mais l’origine, à l’échelle atomique, de ces altérations restait obscure. En utilisant une combinaison de techniques MET ex-situ et in-situ, nous montrons que la température de cristallisation élevée et la morphologie de grain plus fine observées résultent de la liaison de N avec Ge qui rend le Ge2Sb2Te5 amorphe plus visqueux et empêche la diffusion du Ge dans les phases amorphes et cristallines.

Des chercheurs du CEMES-CNRS, soutenus par des ingénieurs du Léti/CEA, ont publié les résultats d’une combinaison d’études par microscopie électronique à transmission (MET) in situ et ex situ, réalisées sur des échantillons spécifiquement conçus, pour mettre en évidence l’influence de la concentration en N sur la cinétique de cristallisation et la morphologie résultante de l’alliage. Au-delà du décalage connu de la température de cristallisation et de l’observation de grains plus petits, nous montrons que l’azote rend le processus de cristallisation plus "dominé par la nucléation" et attribuons cette caractéristique à l’augmentation de la viscosité de l’état amorphe. Cette viscosité accrue est liée à la rigidité mécanique et à la diffusivité réduite résultant de la formation de liaisons Ge-N dans la phase amorphe. Lors du recuit thermique, N entrave la coalescence des grains cristallins et la transition cubique à hexagonale.

Gauche : Image TEM en champ sombre de l’échantillon recuit à 180°C pendant 30min montrant la différence de taille des cristaux dans les régions implantées N (en haut) et non implantées (en bas). Au milieu : différences dans les probabilités de nucléation et de croissance dans le Ge2Sb2Te5 pur et implanté N. A droite : Déformation cristallines subies par les nanocristaux de GST-225 dans les régions implantées N et non implantées.

 

En utilisant AbStrain, une technique de TEM récemment inventée au CEMES, nous mettons en évidence que les nanocristaux formés par la cristallisation du Ge2Sb2Te5 amorphe dopé à l’azote sont déformés et en tension, ce qui suggère que l’azote est inséré dans le réseau et explique pourquoi on ne le trouve pas aux joints de grains. Globalement, tous ces résultats démontrent que l’origine de l’effet de N sur la cristallisation du Ge2Sb2Te5 n’est pas à attribuer à la formation d’une phase secondaire telle qu’un nitrure, mais à la capacité de N à se lier au Ge dans les phases amorphes et cristallines et à se délier et se relier au Ge le long du chemin de diffusion de cette espèce atomique lors du recuit.

 

Contact : Alain Claverie, claverie[chez]cemes.fr

Publication : Effect of Nitrogen Doping on the Crystallization Kinetics of Ge2Sb2Te5, Minh Anh Luong, Nikolay Cherkashin, Béatrice Pecassou, Chiara Sabbione, Frédéric Mazen and Alain Claverie, Nanomaterials 2021, 11, 1729.

Lien : https://doi.org/10.3390/nano11071729