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原子尺度研究 GeTe 薄膜非晶-晶相转变机制。

Atomic-scale study of the amorphous-to-crystalline phase transition mechanism in GeTe thin films.

机构信息

Laboratorio MDM, IMM-CNR, Via Olivetti 2, 20864, Agrate Brianza (MB), Italy.

Laboratory for Micro- and Nanotechnology, Paul Scherrer Institute, 5232, Villigen PSI, Switzerland.

出版信息

Sci Rep. 2017 Aug 15;7(1):8234. doi: 10.1038/s41598-017-08275-5.

DOI:10.1038/s41598-017-08275-5
PMID:28811632
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5558007/
Abstract

The underlying mechanism driving the structural amorphous-to-crystalline transition in Group VI chalcogenides is still a matter of debate even in the simplest GeTe system. We exploit the extreme sensitivity of Fe emission Mössbauer spectroscopy, following dilute implantation of Mn (T½ = 1.5 min) at ISOLDE/CERN, to study the electronic charge distribution in the immediate vicinity of the Fe probe substituting Ge (Fe), and to interrogate the local environment of Fe over the amorphous-crystalline phase transition in GeTe thin films. Our results show that the local structure of as-sputtered amorphous GeTe is a combination of tetrahedral and defect-octahedral sites. The main effect of the crystallization is the conversion from tetrahedral to defect-free octahedral sites. We discover that only the tetrahedral fraction in amorphous GeTe participates to the change of the Fe-Te chemical bonds, with a net electronic charge density transfer of  ~ 1.6 e/a between Fe and neighboring Te atoms. This charge transfer accounts for a lowering of the covalent character during crystallization. The results are corroborated by theoretical calculations within the framework of density functional theory. The observed atomic-scale chemical-structural changes are directly connected to the macroscopic phase transition and resistivity switch of GeTe thin films.

摘要

即使在最简单的 GeTe 体系中,驱动第六族硫属化物结构非晶-晶转变的潜在机制仍然存在争议。我们利用 Mn(T½ = 1.5 min)在 ISOLDE/CERN 进行稀置植入后的 Fe 发射 Mössbauer 光谱的极端灵敏度,来研究 Fe 探针取代 Ge(Fe)附近的电子电荷分布,并研究 GeTe 薄膜中非晶-晶相转变过程中 Fe 的局部环境。我们的结果表明,溅射非晶 GeTe 的局部结构是四面体和缺陷八面体位置的组合。结晶的主要影响是从四面体到无缺陷八面体位置的转变。我们发现只有非晶 GeTe 中的四面体部分参与 Fe-Te 化学键的变化,Fe 和相邻 Te 原子之间的净电子电荷密度转移约为 1.6 e/a。这种电荷转移导致结晶过程中共价键特征的降低。结果得到了密度泛函理论框架内的理论计算的证实。观察到的原子尺度的化学结构变化与 GeTe 薄膜的宏观相变和电阻率开关直接相关。

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