L’énigme est résolue

31 août 2022

Les alliages GeSbTe (GST) riches en Ge sont intéressants pour les mémoires numériques embarquées. Jusqu’à présent, les mécanismes par lesquels ces alliages cristallisent restaient très controversés. En utilisant la diffraction des rayons X synchrotron in situ pendant un recuit isotherme et des techniques avancées de MET, nous dévoilons les mécanismes menant à la cristallisation de ces alliages.

Nos précédentes études de XRD ex situ ont montré que le temps d’incubation, c’est-à-dire le temps après lequel le début de la cristallisation est observé, est de l’ordre de quelques dizaines de minutes à 330°C. Nous avons donc exploré en détail la gamme de température 310-330°C, dans le but de ralentir et décomposer les différents mécanismes qui interviennent dans le processus de cristallisation.

La grande résolution angulaire et temporelle offerte en diffraction par le synchrotron nous permet de caractériser ces différentes étapes. Lors du recuit in-situ à 310°C, le matériau initialement homogène et amorphe subit une séparation progressive des phases conduisant à la formation de régions riches en Ge de compositions différentes.

Pendant cette décomposition, les premiers embryons de GeTe formés cristallisent et déclenchent la cristallisation hétérogène de la phase cubique de Ge. Au fur et à mesure de la séparation des phases, ces embryons se dissolvent et la phase Ge s’accumule progressivement par la nucléation de petits grains. Ce n’est que lorsque cette phase cubique Ge est largement formée que la matrice amorphe restante peut localement atteindre la composition Ge2Sb2Te5 à laquelle elle peut cristalliser sous forme de gros grains.

Nos calculs théoriques confirment que la structure GeTe Pnma assez exotique que nous avons identifiée expérimentalement est plus stable que la structure R3m régulière à des tailles nanométriques. Ces résultats dévoilent les caractéristiques intrigantes de la cristallisation en trois étapes des alliages riches en Ge et mettent fin à une controverse de longue date concernant l’ordre et le scénario de la cristallisation dans ces alliages.

Publication :
Crystallization of Ge-Rich GeSbTe Alloys: The Riddle Is Solved
Eloïse Rahier, Sijia Ran, Nicolas Ratel Ramond, Shuangying Ma, Lionel Calmels, Sabyasachi Saha, Cristian Mocuta, Daniel Benoit, Yannick Le Friec, Minh Anh Luong, and Alain Claverie
ACS Appl. Electron. Mater. 4, 6, 2682 (2022)
https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00038

Contacts :
Alain Claverie | alain.claverie[chez]cemes.fr
Eloïse Rahier | eloise.rahier[chez]cemes.fr