Tính chất quang của hợp chất Ge₂Sb₂Te₅

Nội dung text: Tính chất quang của hợp chất Ge₂Sb₂Te₅

1. Tạp chớ Khoa học và Cụng nghệ, Số 43B, 2020 TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 NGUYỄN HUY PHÚC Trường Đại học Cụng nghiệp Thành phố Hồ Chớ Minh nguyenhuyphuc@iuh.edu.vn Túm tắt. Hợp chất Ge2Sb2Te5 (viết tắt là GST225) cú hai trạng thỏi chớnh là vụ định hỡnh và kết tinh. Ở trạng thỏi kết tinh, cú hai dạng cấu trỳc mạng tinh thể: Dạng khối lập phương tõm diện fcc (kết tinh tại nhiệt độ 1500C). Cỏc hệ số quang học (n, k, α) của GST225 phụ thuộc vào bước súng ỏnh sỏng. Cú sự khỏc biệt rất lớn của cỏc hệ số quang học này giữa hai trạng thỏi vụ định hỡnh và kết tinh. Sự khỏc biệt này được gọi là độ tương phản quang. Thụng số rất quan trọng đối với chất bỏn dẫn họ GST225 là độ rộng vựng cấm (Eg). Đối với GST225 độ rộng vựng cấm Eg trong khoảng từ 0,61 eV đến 0,64 eV ở trạng thỏi vụ định hỡnh và 0,4 eV ở trạng thỏi kết tinh. Từ khúa. Chất bỏn dẫn họ Chalcogenide, bộ nhớ chuyển pha, vật liệu thụng minh, GST, GST225. OPTICAL PROPERTIES OF Ge2Sb2Te5 COMPOUND Abstract. Ge2Sb2Te5 (GST225) compound has two main phases: amorphous and crystalline. In crystalline state, there are two types of lattice structure: fcc face-center-cube (crystallized at temperature of 1500C). The optical constants (n, k, α) of GST225 depend on the wavelength. There are differences of these optical constants between amorphous and crystalline states. This difference is called optical contrast. The very important parameter for the GST225 is the band gap (Eg). For GST225 band gap Eg is from 0.61 eV to 0.64 eV in amorphous state and 0.4 eV in crystalline state. Keywords. Chalcogenide materials, Phase change memory, Optical band gap, GST, GST225, Ellipsometry. 1 GIỚI THIỆU Hợp chất chất bỏn dẫn vụ định hỡnh họ chalcogen (tờn gọi tiếng anh “Chalcogenide Glassy Semiconductors”, viết tắt “CGS”) cú trạng thỏi vụ định hỡnh như thủy tinh ở nhiệt độ phũng, mặc dự trạng thỏi tinh thể của chỳng thuộc dạng ổn định nhiệt. Cỏc trạng thỏi vụ định hỡnh và tinh thể của cựng một vật liệu cú sự khỏc biệt đỏng kể về cỏc tớnh chất vật lý của chỳng, đặc biệt là cỏc tớnh chất điện và quang. Chỳng cú thể chuyển liờn tục giữa hai trạng thỏi: chuyển đổi từ trạng thỏi vụ định hỡnh sang trạng thỏi tinh thể và ngược lại dưới sự tỏc động nhiệt hay tỏc động xung điện. Dựa trờn sự khỏc biệt này, hợp chất CGS đó được sử dụng rộng rói trong cỏc thiết bị lưu trữ thụng tin. Sự thành cụng của việc ứng dụng hợp chất này là dựng làm lớp lưu trữ dữ liệu trong đĩa quang học ghi lại nhiều lần (CD-RW, DVD-RW, Blu-Ray) [1]. Cộng đồng nghiờn cứu và phỏt triển ứng dụng vật liệu chuyển pha đó nhận được một lợi thế lớn khi Yamada và cỏc tỏc giả khỏc [2] phỏt hiện vật liệu Ge2Sb2Te5 (viết tắt GST225) cú tớnh chất nhanh chúng chuyển đổi pha vào năm 1987. Phỏt hiện này mang tớnh đột phỏ, sử dụng hợp chất cấu tạo từ cặp GeTe và Sb2Te3 cho phộp đổi mới toàn bộ mới cụng nghệ lưu trữ và thành cụng đến ngày hụm nay. Trong bài bỏo [1], cỏc nhà nghiờn cứu thấy rằng đối với hợp chất trong quỏ trỡnh ghi thụng tin thỡ GST225 được kết tinh dưới dạng mạng tinh thể hỡnh lập phương gần giống với cấu trỳc mạng tinh thể NaCl siờu bền. Ở trạng thỏi fcc, mạng tinh thể con thứ nhất (sublattice) tạo bởi nguyờn tử Te; cỏc mạng tinh thể con thứ hai bao gồm Ge, Sb, và 20% khoảng trống. Trong bài bỏo [3], phần lớn khoảng trống trong mạng tinh thể được giải thớch bởi sự vắng mặt của một số lượng lớn electron húa trị trong quỏ trỡnh hỡnh thành liờn kết nguyờn tử Ge và Sb với Te. Kết luận này được khẳng định bằng kết quả của [4, 5]. Phõn tớch GST225 ở trạng thỏi fcc sử dụng phương phỏp EXAFS cho thấy Ge-Te và Sb-Te cú thể được phõn loại thành những liờn kết ngắn và dài. Độ dài liờn kết của Ge-Te và Sb-Te ở 2,83, 3,2 Å và 2,91, 3,2 Å. Trong một phõn tử GST225 ngoài liờn kết cộng húa trị chiếm phần lớn, cũn cú một số lượng nhỏ liờn kết cộng hưởng (liờn kết cho nhận). â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
2. 4 TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 Phương phỏp nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy, cú một sự lệch đỏng kể về vị trớ của nguyờn tử Ge và Sb từ cỏc nỳt mạng tương ứng của mạng tinh thể dạng fcc. Do sự khỏc biệt giữa bỏn kớnh của cỏc nguyờn tử Te, Ge, Sb, dẫn đến cấu trỳc mạng tinh thể GST225 khụng hoàn toàn giống với cấu trỳc mạng tinh thể của muối ăn (NaCl). Cỏc nguyờn tử Te được bố trớ vào vị trớ 4a (những gúc đỉnh của ion dương trong mạng tinh thể); hoặc vị trớ 4b (những gúc đỉnh của ion õm trong mạng tinh thể) [6]. Trong [7], cỏc nhà nghiờn cứu đó chỉ ra rằng trạng thỏi fcc cú thể được hỡnh thành từ cỏc khối nguyờn tử liờn kết (block). Trong mỗi khối, cỏc nguyờn tử bị ràng buộc bởi liờn kết ngắn và mạnh; trong khi đú, cỏc khối được liờn kết bởi cỏc liờn kết dài và yếu. Cỏc khối được sắp xếp cú trật tự để cỏc nguyờn tử Te cú thể tạo thành một mạng tinh thể dạng fcc. Tuy nhiờn, cấu trỳc mạng tinh thể cho phộp mỗi khối xoay 900 theo trục của nú. Tiếp đến, cỏc nguyờn tử Ge, Sb và cỏc chỗ trống sắp xếp một cỏch ngẫu nhiờn tạo thành mạng tinh thể fcc thứ hai. Ở trạng thỏi vụ định hỡnh, cỏc liờn kết cộng hưởng bị phỏ hủy, trong khi liờn kết húa trị trở nờn ngắn và mạnh hơn. Theo số liệu EXAFS [7], chiều dài của liờn kết ngắn của Ge-Te giảm từ 2,84 đến 2,61Å, trong khi chiều dài liờn kết ngắn của Sb-Te giảm 2,91-2,85Å. Trong [8], sử dụng phương phỏp XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) đó xỏc định được cỏc nguyờn tử Ge chuyển từ liờn kết 6 húa trị ở trạng thỏi kết tinh sang liờn kết 4 húa trị ở trạng thỏi vụ định hỡnh. Chiều dài liờn kết của Ge-Te là 2,61Å ở trạng thỏi vụ định hỡnh và ở trạng thỏi fcc là 6,02 Å. Mụ hỡnh nguyờn tử Ge chuyển từ liờn kết 6 húa trị sang liờn kết 4 húa trị được đặt tờn là mụ hỡnh “bật dự” (umbrella flip) [3, 6]. Vị trớ của nguyờn tử Sb thay đổi khụng đỏng kể trong quỏ trỡnh chuyển sang trạng thỏi vụ định hỡnh, trong khi sự thay đổi độ dài của liờn kết Te-Sb trong trạng thỏi vụ định hỡnh được kết hợp với một sự thay đổi của vị trớ nguyờn tử Ge. Nghiờn cứu cỏc tớnh chất quang của GST225 là rất cần thiết cho việc ứng dụng cụng nghệ ghi, đọc và xúa dữ liệu. Mặc dự những tớnh chất này cú tầm quan trọng, nhưng nghiờn cứu về cỏc đặc tớnh này vẫn cũn hạn chế. Để lưu trữ dữ liệu quang học, hệ số khỳc xạ n, hệ số tắt dần k, hệ số hấp thụ α = 4πk/λ là vụ cựng quan trọng bởi vỡ nú xỏc định hiệu quả của sự hấp thụ của ỏnh sỏng laser, cũng như độ tương phản quang. Cỏc hệ số quang học, trong thực tế, khụng phải là hằng số mà phụ thuộc vào bước súng λ. Trong bài này, tụi khảo sỏt tớnh chất quang của màng mỏng GST225 phủ trờn đế Si và đế thủy tinh và màng được nung nhiệt sau khi chế tạo. Tớnh chất quang của màng trước và sau khi nung được khảo sỏt bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau: XRD, phổ ellipsometry và AFM cho màng phủ trờn đế Si; quang phổ hấp thụ cho màng phủ trờn đế thủy tinh. 2 THÍ NGIỆM 2.1 Thớ nghiệm Màng mỏng GST225 được tạo bằng phương phỏp bốc bay nhiệt trong chõn khụng, trờn mặt đế là Si (dựng để đo hệ số phản quang) và thủy tinh K8 (dung để đo hệ số hấp thụ). Áp suất và nhiệt độ của bồn trong quỏ trỡnh bay bốc nhiệt luụn giữ ở 10-4 Pa và 630oC. Để thu được màng mỏng GST225 ở trạng thỏi kết tinh, mẫu thớ nghiệm được nung núng ở nhiệt độ 170 ± 10С trong điều kiện khớ trơ Ar, trong thời gian 5 giờ. Thời gian và nhiệt độ được gia nhiệt được lựa chọn để chắc chắn mẫu thớ nghiệm chuyển trạng thỏi hoàn toàn, theo tài liệu [1, 9]. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của màng mỏng trước và sau khi nung đó được đo, nhằm khẳng định trạng thỏi vụ định hỡnh và trạng thỏi kết tinh, phục vụ cho quỏ trỡnh nghiờn cứu. Phổ XRD được đo bới mỏy 0 quang phổ Bruker D8 Advance, Cu Kα λ=0.15481 nm, với bước 0,02 . Gúc quột được thiết lập trong khoảng 2θ=2-138°, với độ chớnh xỏc của gúc quột là 0.005°. Để đo cỏc hệ số quang học, mỏy đo quang phổ ellipsometer ELLIPSE-1881A đó được sử dụng. Ánh sỏng đến và phản xạ lại từ mẫu vật, với bước súng thay đổi trong khoảng 380-1050 nm và gúc đến 70o. Hệ số hấp thụ của mẫu thớ nghiệm được tớnh toỏn dựa trờn phổ truyền qua, đo bởi quang phổ kế Cary 5000. Bước súng của phổ thu được trong khoảng 400-2500 nm, với độ chớnh xỏc ± 0,05 nm. 2.2 Phương phỏp tớnh và thảo luận kết quả a Phổ nhiễu xạ XRD Phổ nhiễu xạ XRD của màng mỏng GST225 phủ trờn đế Si trước (đường 1, màu đen) và sau (đường 2, màu đỏ) khi gia nhiệt được thể hiện ở hỡnh 1. Theo kết quả đo, phổ 1 khụng cú đỉnh cực đại nào ngoài đỉnh tại gúc quột 2θ=33,410, đặc trưng của đế Si. Trong khi đú, bốn cực đại nhiễu xạ thu được trờn phổ 2 â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
3. TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 5 tại 2θ ~ 25,60; 300; 42,80 và 53,30. Theo cỏc nghiờn cứu trước đú [9, 10, 11, 12, 13], cỏc đỉnh này lần lượt tương ứng với cỏc hướng (111), (200), (220) và (222) của mạng tinh thể GST225 trong pha fcc. Điều này phự hợp với quỏ trỡnh nung nhiệt tại 1700, điều kiện để xảy ra quỏ trỡnh chuyển pha từ trạng thỏi vụ định hỡnh qua trạng thỏi tinh thể fcc của GST225. (200) (111) (220) 2 (222) Si Intensity 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2 rad Hỡnh 1. Phổ XRD của màng mỏng GST225 trờn đế Si b Phổ ellipsometry và hằng số phản quang Đối với cỏc màng mỏng GST225 vụ định hỡnh và kết tinh, phổ ellipsometry Ψ và Δ được khảo sỏt. Dựa trờn cỏc phổ này, hệ số n và k bằng cỏch mụ phỏng với cấu trỳc màng mỏng hai lớp như mụ tả trờn hỡnh 2 được sử dụng để tớnh toỏn. Trong mụ hỡnh này, màng mỏng GST225 được xem như một cấu trỳc bởi hai lớp (khụng tớnh lớp dưới cựng – lớp đế Si). Lớp chớnh, chiếm phần lớn tỉ lệ là lớp GST225 với bề dày d1. Lớp thứ 2, nằm trờn cựng, lớp bề mặt, cú bề dày d2. Ngoài ra, lớp thứ hai được xem như một hệ hỗn hợp bao gồm GST225 (95%) và khụng khớ (5%). Việc thờm lớp thứ hai nhằm tớnh đến sự đúng gúp của bề mặt màng mỏng. Khi vật liệu cú kớch thước nanomet, số nguyờn tử nằm trờn bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đỏng kể so với tổng số nguyờn tử. Chớnh vỡ vậy cỏc hiệu ứng cú liờn quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nờn quan trọng, làm cho tớnh chất của vật liệu cú kớch thước nanomet khỏc biệt so với vật liệu ở dạng khối. Việc tớnh thờm tớnh chất bề mặt trong quỏ trỡnh mụ phỏng, sẽ cho đến kết quả tớnh toỏn chớnh xỏc hơn. GST225+Khụng khớ Hỡnh 2. Mụ hỡnh màng mỏng 2 lớp GST225 trờn đế Si Quỏ trỡnh mụ phỏng để tớnh toỏn hệ số n và k dựa trờn phổ ellipsometry, sử dụng cụng thức Forouhi- Bloomer [14]: 2 AE( E ) BE C k( ) g (1) và n( ) n () 0 0 (2) E2 BE C E2 BE C â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
4. 6 TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 Trong đú, E – năng lương photon; Eg – độ rộng vựng cấm quang; A, B, C, B0, C0 – hằng số mụ phỏng; n( ) - hệ số khỳc xạ khi năng lượng photon rất lớn. Bảng 1. Kết quả mụ phỏng phổ n và k theo phổ ellipsometry. Mẫu đo d1, nm d2, nm n( ) Eg, eV A B C q (sai số) a-GST225 71,32 2,50 2,72 0,64 0,59 3 2,77 0,01 (vụ định hỡnh) c-GST225 83,25 15,03 0,58 0,40 3,29 3 3,46 0,01 (kết tinh) Căn cứ vào kết quả trỡnh bày trong bảng 1, nhận thấy rằng, khi chuyển từ trạng thỏi vụ định hỡnh sang trạng thỏi kết tinh, độ rộng vựng cấm quang Eg của GST225 giảm từ 0,64 eV xuống 0,4 eV. Điều này bắt nguồn từ sự bố trớ lại trong cấu trỳc phõn tử của GST225 trong quỏ trỡnh chuyển từ pha vụ định hỡnh qua trạng thỏi tinh thể fcc [15]. Giỏ trị Eg tớnh được tương ứng với giỏ trị Eg (0,63 eV và 0,4 eV) trong cụng bố [16]. Tuy nhiờn, cụng bố [16] đo giỏ trị Eg từ phổ hằng số điện mụi. Sự tương trựng về số liệu trong cỏc cỏch đo khỏc nhau và sai số tớnh nhỏ (0,01) đó thể hiện sự đỳng đắn khi sử dụng mụ hỡnh hai lớp của màng mỏng. Bờn cạnh đú, một điểm đỏng chỳ ý là sự thay đổi đỏng kể về tớnh chất bề mặt của màng mỏng trước và sau khi nung: bề dày d2 tăng từ 2,5 nm (trạng thỏi vụ định hỡnh) lờn 15,03 nm (trạng thỏi kết tinh). Theo tài liệu [17], cỏc tỏc giả đó quan sỏt được sự thay đổi bề mặt rừ rệt trước và sau khi nung thụng qua khảo sỏt đo độ gồ ghề của bề mặt màng trong trạng thỏi vụ định hỡnh và trạng thỏi tinh thể. Trong khi bề mặt của màng trong trạng thỏi vụ định hỡnh khỏ phẳng (độ gồ ghề dưới 2 nm), màng sau khi nung cú độ gồ ghề vào khoảng 15 nm (xem hỡnh 3). (a) (b) Hỡnh 3. Hỡnh chụp AFM bề mặt của màng mỏng GST225 trờn đế Si trước khi gia nhiệt (a) và sau khi gia nhiệt (b) [17] Áp dụng giỏ trị Eg thu được vào cụng thức (1) và (2), cho phộp tớnh sự thay đổi của n và k theo bước súng λ . Hàm thu được n(λ) và k(λ) được vẽ trờn hỡnh 4 bằng đường màu đỏ và màu xanh một cỏch tương ứng. Theo hỡnh 4 cho thấy, hệ số khỳc xạ n trong vựng bước súng 350 nm đến 1000 nm, cú giỏ trị thay đổi trong khoảng từ 2,6 đến 4,3 là dạng đặc trưng của màng mỏng của GST225 ở trạng thỏi vụ định hỡnh [2, 9, 13, 16]. Sau khi chuyển sang trạng thỏi kết tinh, hệ số khỳc xạ n và hệ số tắt dần k đều tăng trong vựng bước súng tương ứng từ 410 nm đến 1000 nm và 350 nm đến 870 nm. Hơn thế nữa, cực đại của hệ số nc và kc dịch chuyển về phớa mức năng lượng photon cao (hay về phớa bước súng ngắn) so với hệ số na và ka. â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
5. TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 7 8 n 100 k c c 5 7 90 1 4 80 6 Blu-Ray Recording 70 5 n 3 (k) a 60 (n) k 50 4 a 2 T (%) 40 2 3 1 30 DVD Recording 2 20 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 10 , nm 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 Hỡnh 4: Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc n, k (tớnh theo Wavelength, nm cụng thức 1 và 2) vào bước súng của màng mỏng hợp Hỡnh 5. Quang phổ truyền qua T đo được (cỏc điểm trũn) chất GST225 ở trạng thỏi vụ định hỡnh (а) và trạng và tớnh toỏn theo mụ phỏng (đường nối liền) của màng thỏi kết tinh (с) (trờn đế Si) mỏng GST225 vụ định hỡnh (1) và kết tinh (2) (trờn đế thủy tinh) Độ tương phản quang được xỏc định bởi sự chờnh lệch hệ số khỳc xạ (dạng số phức) giữa 2 trạng thỏi. Hệ số khỳc xạ dạng số phức được biểu diễn: ủ = n + ik (3) Độ tương phản quang: Δn = ủ(kết tinh) – ủ(vụ định hỡnh)= Δn + iΔk (4) Độ tương phản quang tớnh được trong thớ nghiệm này dành cho hai bước súng λ = 400 nm là 0,18+i3,34, và λ = 650 nm là 2,86+i2,13. Sự quan tõm đặc biệt được thể hiện cho hai giỏ trị bước súng này, vỡ trong kỹ thuật ghi và xúa đĩa quang, hai bước súng này tương ứng với bước súng của laser sử dụng trong đầu đọc-ghi Blu-Ray và DVD. c Hệ số hấp thụ và năng lượng Urbach Đối với màng phủ trờn đế thủy tinh, phương phỏp ellipsometry khụng thể ỏp dụng được. Do đú, cỏc màng này được khảo sỏt bằng phương phỏp đo phổ truyền qua. Thụng qua phộp đo này, hệ số hấp thụ α và bề dày của màng mỏng d được tớnh toỏn dựa trờn quang phổ truyền qua T(λ), sử dụng thuật toỏn của chương trỡnh PUMA [18]. Trong quỏ trỡnh tớnh, phổ truyền qua được mụ phỏng theo cụng thức: d Ae1 4 k T( ) d 2 d ; (3) B1 Ce 1 De 1  Trong đú, A1, B1, C1, D1 – hằng số mụ phỏng; hệ số tắt dần k, hệ số hấp thụ α và d – tồng bề dày màng mỏng (khụng tớnh đế). Kết quả tớnh toỏn mụ phỏng theo cụng thức (3) sử dụng thuật toỏn của chương trỡnh PUMA và kết quả đo được thể hiện ở hỡnh 5, với sai số σ2= 7.65.10-4. Hỡnh 6 thể hiện sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào bước súng của màng mỏng vụ định hỡnh và kết tinh GST225. Phổ hệ số hấp thụ là đường cong, với hai vựng đặc trưng của vật liệu họ GST. Tại vựng với năng lượng photon lớn hơn 1,2 eV (vựng I trờn hỡnh 6), đường cong tương ứng với phụ thuộc bậc 2, dạng parabol theo mụ hỡnh của Tauc [19]. 2  BE( g ) ,  E g Tại vựng với năng lượng photon nhỏ hơn 1,2 eV, quan sỏt được Urbach tail (năng lượng Urbach – E0) [19], đường cong tương ứng với sự phụ thuộc theo hàm số e (vựng II trờn hỡnh 6). Những vựng với đường cong đặc trưng này, biờn hấp thụ (Absorption edge), cũng được đề cập đến trong tài liệu [16]. Đường cong đặc trưng này chỉ quan sỏt được đối với màng mỏng GST225 vụ định hỡnh. Trong trường hợp màng mỏng GST225 kết tinh, Urbach tail khụng tồn tại, do đú khụng quan sỏt được đường cong trong vựng II, trờn đồ thị 2, hỡnh 6.  E exp(g ),  <E 0E g 0 â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
6. 8 TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 4.0x104 3.5x104 I 3.0x104 2 2.5x104 ) -1 4 сm 2.0x10 ( 1.5x104 1.0x104 1 3 5.0x10 II 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 Energy, eV Hỡnh 6. Phổ hệ số hấp thụ theo bước súng của màng mỏng GST225 vụ định hỡnh (1) và kết tinh (2) Để xỏc định giỏ trị độ rộng vựng cấm quang, cỏc phộp tớnh đó được triển khai, lấy đường cong 1, trờn 1/ 2 hỡnh 6 làm mẫu. Từ đồ thị hỡnh 6, đường cong 1 được dựng lại dưới dạng phụ thuộc (  ) f ()  (hỡnh 7, đường 2). Căn cứ vào đường cong 2, chọn vựng phụ thuộc tuyến tớnh. Dọc theo cỏc điểm đó chọn, dựng đường thằng đi qua và cắt trục năng lượng. Giỏ trị của điểm cắt trờn trục năng lượng chớnh là giỏ trị của độ rộng vựng cấm quang Eg (hỡnh 7, đường 1). Tớnh toỏn cho thấy, giỏ trị Eg trong trường hợp này là 0,61 eV. 400  eV 160 300 2  cm   200 ) 1 h (  120 100 eV  0 cm 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0   80 Energy, eV ) h ( 0.61 40 0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Energy, eV Hỡnh 7. Đồ thị chuyển đổi để tớnh giỏ trị Eg của màng mỏng vụ định hỡnh GST225 Để xỏc định giỏ trị năng lượng Urbach E0 (năng lượng gắn liền với sự sắp xếp khụng trật tự trong cấu trỳc phõn tử). Từ vựng II của đồ thị hỡnh 6, tỏch đường cong tương ứng, sau đú tiến hành tớnh gần đỳng theo hàm e (hỡnh 8). Giỏ trị năng lượng Urbach tớnh được là E0=0,13 eV. â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
7. TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 9 1000 Equation y = y0 + A1*exp((x-x0)/t1) Adj. R-Squ 0.99981 900 Value Standard Er B y0 -1064.296 101.15552 B x0 0.61023 3459.22929 800 B A1 1907.488 2.77581E7 B t1 0.13271 0.01441 700 ) -1 cm 600 ( 500 Experiment Calculation 400 300 200 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 Energy, eV Hỡnh 8. Đồ thị chuyển đổi để tớnh giỏ trị E0 của màng mỏng vụ định hỡnh GST225 Tớnh toỏn được sử dụng tương tự cho màng mỏng GST225 ở trạng thỏi kết tinh. Kết quả tớnh được tổng hợp và thể hiện trong bảng 2. Bảng 2. Giỏ trị cỏc mức năng lượng của GST225 ở trạng thỏi vụ định hỡnh và kết tinh Trạng thỏi vụ định hỡnh Trạng thỏi kết tinh Eg, eV E0, eV Eg, eV Tớnh toỏn Tham chiếu Tớnh toỏn Tham chiếu Tớnh toỏn Tham chiếu 0.7 [20] 0.5 [20] 0.63 [16], 0.8 0.072 [16], 0.40 [16], 0.610±0.001 0.130±0.001 0.400±0.001 [21], 0.74 0.05 [11] 0.41 [21], [22] 0.5 [22] Theo bảng 2, kết quả tớnh của tỏc giả trựng với kết quả nhiều bài viết nghiờn cứu khỏc. Tuy nhiờn, cú một số giỏ trị chờnh lệch nhau, đặc biệt giỏ trị mức năng lượng Urbach của GST225 ở trạng thỏi vụ định hỡnh. Điều này cú thể được giải thớch do kỹ thuật tạo màng mỏng của cỏc bài nghiờn cứu khỏc nhau, dẫn đến sự phõn bổ cỏc phõn tử của GST225 ở trạng thỏi vụ định hỡnh ớt trật tự hơn. Nguồn gốc sự phụ thuộc mức năng lượng Urbach theo hàm e, đặc trưng cho chất bỏn dẫn vụ định hỡnh, được nhiều nhà vật lý nghiờn cứu và giải thớch. Vớ dụ, Dou và Redfield trong cỏc cụng bố của mỡnh, đó đưa ra mụ hỡnh giải thớch cho sự phụ thuộc trờn là do sự nới rộng của cỏc đường eksiton trong điện trường đều. Bản chất của Urbach tail cũng được giải thớch dựa trờn hiệu ứng Franz–Keldysh [23]. Trong khuụn khổ bài viết này, tỏc giả khụng đi sõu vào giải thớch hiện tượng. Vấn đề đặt ra là, ngoài cỏc phộp đo và tớnh giỏ trị Eg, E0, việc sử dụng cỏc quang phổ hấp thụ, phản xạ, truyền qua cũng cú thể tớnh được cỏc giỏ trị trờn. 3 KẾT LUẬN Hợp chất GST225 cú hai trạng thỏi chớnh là vụ định hỡnh và kết tinh. Ở trạng thỏi kết tinh cú cấu trỳc mạng tinh thể dạng khối lập phương tõm diện fcc (kết tinh tại nhiệt độ 1500C). Cỏc hệ số quang học (n, k, α) của GST225 phụ thuộc vào bước súng ỏnh sỏng. Cú sự khỏc biệt lớn của cỏc hệ số quang học này giữa hai trạng thỏi vụ định hỡnh và kết tinh. Sự khỏc biệt này được gọi là độ tương phản quang. Độ tương phản quang tớnh được trong thớ nghiệm này dành cho hai bước súng λ = 400 nm là 0,18+i3,34, và λ = 650 nm là â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
8. 10 TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 2,86+i2,13. Thụng số rất quan trọng đối với chất bỏn dẫn GST225 là độ rộng vựng cấm (Eg). Đối với GST225 độ rộng vựng cấm Eg từ 0,61 eV đến 0,64 eV ở trạng thỏi vụ định hỡnh và 0,4 eV ở trạng thỏi kết tinh. Kết quả tớnh toỏn tương tự cho màng mỏng trờn đế Si cũng như thủy tinh K8. Mụ hỡnh màng mỏng với hai lớp: lớp GST225 và lớp một hệ hỗn hợp bao gồm GST225 (95%) và khụng khớ (5%) thớch hợp dựng để mụ phỏng và tớnh toỏn cỏc hệ số quang dựa trờn phổ ellipsometry đo được. Bờn cạnh đú, sử dụng quang phổ hấp thụ, cỏc giỏ trị năng lượng vựng cấm và năng lượng Urbach cũng được tớnh toỏn. Điều này thể hiện sự đa dạng trong cỏch tiến hành thớ nghiệm, song song với cỏc cỏch tớnh truyền thống, dựa trờn sự phụ thuộc của cường độ dũng điện theo nhiệt độ. Một hướng phỏt triển của việc nghiờn cứu và ứng dụng GST225 vào trong kỹ thuật là thờm một số nguyờn tố đồng vị (Bi, In, Sn hay Zn) với một trong cỏc nguyờn tố chớnh của GST225. Mục đớch thờm cỏc nguyờn tố đồng vị vào nhằm làm tốt hơn cỏc hằng số phản quang, để thụng tin cú thể được lưu trữ trong một thời gian dài hơn, quỏ trỡnh đọc thụng tin khụng xảy ra sự thay đổi trạng thỏi và thời gian chuyển đổi giữa cỏc trạng thỏi nhanh hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N. Yamada, E. Ohno, K. Nishiuchi, et al. Rapid phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory / J. Appl. Phys. – 1991. – Vol. 69. – P. 2849. [2] M. Wuttig and N. Yamada. Phase-change materials for rewriteable data storage / Nat. Mater. – 2007. V. 6. – P. 824. [3] A. V. Kolobov, J. Tominaga, P. Fons, and T. Uruga, Appl. Phys. Lett. 82, 382 (2003). [4] N. Yamada and T. Matsunaga, J. Appl. Phys. 88, 7020 (2000). [5] S. Privitera, E. Rimini, C. Bongiorno, R. Zonca, A. Pirovano, and R. Bez, J. Appl. Phys. 94, 4409 (2003). [6] A. V. Kolobov, P. Fons, J. Tominaga, A. I. Frenkel, A. L. Ankudinov, S. N. Yannopoulos, K. S. Andrikopoulos, and T. Uruga, Jpn. J. Appl. Phys. 44 (5b), 3345 (2005). [7] A. V. Kolobov, P. Fons, A. I. Frenkel, A. L. Ankudinov, J. Tominaga, and T. Uruga, Nature Mater. 3, 703 (2004). [8] M. Krbal, A. V. Kolobov, P. Fons, J. Tominaga, S. R. Elliott, J. Hegedus, Phys. Rev. B 83,054203 (2011). [9] N. Yamada, E. Ohno, K. Nishiuchi, et al. Rapid phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory / J. Appl. Phys. – 1991. – Vol. 69. – P. 2849. [10] N. Yamada, T. Matsunaga. Structure of laser-crystallized Ge2Sb2+xTe5 sputtered thin films for use in optical memory / J. Appl. Phys. – 2000. – Vol. 88. - P. 7020. [11] R.De Bastiani, E. Carria, S. Gibilisco, et al. Crystallization of ion amorphized Ge2Sb2Te5 thin films in presence of cubic or hexagonal phase / J. Appl. Phys. – 2010. - V. 107. – P. 113521. [12] B. Liu, Z. T. Song, T. Zhang, at. al. Raman spectra and XPS studies of phase changes in Ge2Sb2Te5 films / Chin. Phys. – 2004. – V. 13. – P. 1947. [13] Strand, D. Optical Routers Based on Ovonic Phase Change Materials / European Phase Change and Ovonics Science Symposium (Grenoble, France, 2006). [14] A. R. Forouhi and I. Bloomer. Optical properties of crystalline semiconductors and dielectrics / Phys. Rev. B. - 1988. –V. 38. –P. 1865. [15] Н. Мотт, Э. Дэвид. Электронные процессы в некристаллических веществах / М, Мир - 1971. [16] P. Němec, J. Přikryl, V. Nazabal, and M. Frumar. Optical characteristics of pulsed laser deposited Ge–Sb–Te thin films studied by spectroscopic ellipsometry / J. Appl. Phys. – 2011. – V. 109. – P. 073520. â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh
9. TÍNH CHẤT QUANG CỦA HỢP CHẤT Ge2Sb2Te5 11 [17] P. Lazarenko, Huy Phuc Nguyen, S. Kozyukhin, A. Sherchenkov. Influence of Bi doping on electrical and optical properties of phase change material Ge2Sb2Te5 / Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. – 2011. – Vol. 13. – No.11-12. – Pp. 1400-1404. [18] E. G. Birgin, I. Chambouleyron, and J. M. Martớnez. Estimation of optical constants of thin films using unconstrained optimization / J. Comput. Phys. – 1999. –V.151. – P. 862. [19] Tauc, J. The optical properties of solids / Ed. F. Abeles, North Holland, Amsterdam, 1970. [20] B.-S. Lee, J.R. Abelson, S.G. Bishop, et al. Investigation of the optical and electronic properties of Ge2Sb2Te5 phase change material in its amorphous, cubic, and hexagonal phases / J. Appl. Phys. -2005. –V. 97. –P. 093509. [21] J. W. Park, S. H. Eom, H. Lee, et al. Optical properties of pseudobinary GeTe, Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4, GeSb4Te7, and Sb2Te3 from ellipsometry and density functional theory / Phys. Rev. B. -2009. –V. 80. –P. 115209. [22] T. Kato, K. Tanaka. Electronic properties of amorphous and crystalline Ge2Sb2Te5 films / Jpn. J. Appl. Phys. – 2005. – V. 44. – P. 7340. [23] J. Feileib, S. Iwasa, S.C. Moss, et al. Reversible optical effects in amorphous semiconductors / J. Non- Crystalline Solids. - 1972. - V. 8-10. - P.909-916. Ngày nhận bài: 22/03/2019 Ngày chấp nhận đăng: 12/06/2019 â 2020 Trường Đại học Cụng nghiệp thành phố Hồ Chớ Minh