Соединение Ge2Sb2Te5 — это популярный материал для создания устройств энергонезависимой оптической памяти, принцип действия которых основан на кристаллизации аморфной фазы под действием лазерного излучения. Исследователи из ИОНХ РАН, МИЭТ, РГРТУ, ФИАН и РХТУ им. Д.И. Менделеева изучили, как на характер этого процесса влияют параметры лазерного излучения, а также материал подложек. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Структура поверхности GST пленки после серии ла...

Структура поверхности GST пленки после серии лазерных импульсов. Изображение получено на атомно-силовом микроскопе. Источник: Journal of Alloys and Compounds/Elsevier

В основе большинства современных перезаписываемых оптических дисков (CD, DVD, Blue-Ray) лежит материал под названием GST — сплав германия (Ge), сурьмы (Sb) и теллура (Te). GST может находиться в кристаллическом и аморфном состоянии и “переключить” их сравнительно легко: если на аморфный GST точечно воздействовать лазерным излучением, так чтобы его поверхность разогрелась до определенной температуры, то при остывании он кристаллизуется. При этом коэффициенты оптического отражения этих состояний сильно отличаются, и именно на этом основан общий принцип записи в GST, однако в подробностях процесс кристаллизации GST под действием фемтосекундного лазерного излучения (особенно в тонких поверхностных слоях пленок) еще не изучен.

“Разные научные группы работают на разном оборудовании и поэтому у них отличаются параметры лазерного пучка — длина волны, длительность импульса, частота повторения импульса, размер лазерного пятна, энергия импульса — а это неизбежно влияет на свойства GST материалов”, — рассказывает один из авторов работы, сотрудник РХТУ, Михаил Смаев. “Мы к данной теме шли постепенно. После получения установки, позволяющей проводить фемтосекундную модификацию, мы познакомились с людьми, умеющими напылять тонкие пленки GST, и потом начали с ними сотрудничать в плане изучения режимов воздействия ультракоротких лазерных импульсов на эти материалы”.

Ученые работали с GST пленками трех разных толщин (30, 80 и 130 нм), нанесенными на подложки двух типов: диэлектрическую и проводящую. Пленки облучались лазерными импульсами с длительностью 185 фемтосекунд, но с разной энергией и частотой, а потом с помощью атомной-силовой микроскопии, оптической микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния изучали структуру пленок.

Оказалось, что при умеренном значении плотности энергии лазерных импульсов (от 100 до 200 нДж) кристаллическая фаза формируется только в центре лазерного пучка, что приводит к образованию зоны мелкозернистого поликристаллического материала. А при более высоких плотностях энергии материал пленки начинает плавиться по всей области облучения и после кристаллизуется уже преимущественно на ее краях в виде крупных кристаллических зерен. Кроме того, ученые показали, что толщина пленки по-разному влияет на характер кристаллизации в зависимости от подложки, на которую нанесен GST.

Установленные закономерности могут стать полезными не только для оптических дисков нового поколения, но и для разработки устройств энергонезависимой памяти на основе фазовых переходов. В перспективе такая фазовая память характеризуется очень высокой скоростью записи и может перезаписываться десятки тысяч раз, однако на данный момент ее применение ограничено из-за множества нерешенных фундаментальных вопросов, которые ученые планируют решить в дальнейших исследованиях.

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева в коллаборации с учеными из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Московского физико-технического института, Рязанского государственного радиотехнического университета, Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, а также Национального исследовательского университета “МИЭТ” при финансовой поддержке грантов РФФИ (проект # 20-03-00379) и гранта президента РФ (МК-727.2020.3)

Статья: T. Kunkel et al, Experimental observation of two-stage crystallization of Ge2Sb2Te5 amorphous thin films under the influence of a pulsed laser, Journal of Alloys and Compounds (Q1), 2020. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.156924