Using infrared nano-spectroscopy to analyze the influence of defects on the local electronic properties in resistively switching oxides and chalcogenides

Lewin, Martin; Taubner, Thomas; Wuttig, Matthias

doi:HT020479166

Using infrared nano-spectroscopy to analyze the influence of defects on the local electronic properties in resistively switching oxides and chalcogenides = Analyse des Einflusses von Defekten auf die lokalen elektronischen Eigenschaften von resistiv schaltenden Oxiden und Chalcogeniden mittels infraroter nano-Spektroskopie

Lewin, Martin^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Lewin, M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (viii, 145 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Taubner, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-05866
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/792130/files/792130.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
infrared spectroscopy (frei) ; nano-FTIR (frei) ; near-field optical microscopy (frei) ; oxides (frei) ; phase change materials (frei) ; resistive switching (frei) ; s-SNOM (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Doktorarbeit werden, eingebettet in den Sonderforschungsbereich 917 "Nanoschalter", die lokalen Ladungsträgereigenschaften neuer Speicher-Materialien für die Informationstechnik auf der Nanometer-Skala untersucht. Der Fokus liegt dabei auf den Materialien Sb2Te3 und SrTiO3, die beispielhaft jeweils für die Klassen der resistiv-schaltbaren Oxide und Phasenwechselmaterialien stehen. Der elektrische Widerstand beider Materialklassen kann durch Spannungspulse reversibel geschaltet werden. In beiden Materialklassen ist der genaue Schaltprozess noch nicht vollumfänglich verstanden. Um eine gezielte Optimierung und Skalierung der Bauteile zu ermöglichen, muss der Einfluss von Defekten auf die lokalen Ladungsträgereigenschaften besser verstanden werden. Etablierte Analyse-Methoden werden jedoch entweder bereits durch die oftmals vorhandenen Nanometer-dicken Deckschichten (Elektroden, Schutzschichten, Oxide) behindert oder garantieren keine zerstörungsfreie Untersuchung. Beide Probleme werden in dieser Arbeit umgangen, indem die lokalen Ladungsträgereigenschaften in Sb2Te3 und SrTiO3 mit Hilfe infraroter Laserstrahlquellen (zerstörungsfrei) in Kombination mit einem Streulicht-basierten optischen Raster-Nahfeldmikroskop (s-SNOM, Eindringtiefe bis zu 100 nm) untersucht werden. Hauer et al. beobachteten 2015 in Sb2Te3 Nano-Plättchen mittels s-SNOM die Formierung von dreieckigen Domänen mit einem starken Kontrast im infraroten Spektralbereich.[1] Es wurde vermutet, dass der infrarote Kontrast von unterschiedlichen Ladungsträgerdichten resultiert, die durch den speziellen Wachstumsprozess der Plättchen bedingt werden. In dieser Arbeit werden im Rahmen einer detaillierten Wachstumsstudie zu Sb2Te3 chemisch synthetisierte Nanopartikel unterschiedlicher Morphologie, sowie Dünnschichten, die mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurden, im infraroten Spektralbereich mit dem s-SNOM untersucht. So kann gezeigt werden, dass die Domänenbildung eine intrinsische Eigenschaft von Sb2Te3 ist, die unabhängig vom Wachstumsverfahren auch in technologisch relevanten Systemen auftreten kann. Die Auswertung normierter Nahfeld-Spektren zeigt, dass das Infrarot-Spektrum der einzelnen Domänen tatsächlich durch das Drude Modell freier Ladungsträger beschrieben werden kann, wobei die Plasmafrequenz zwischen den Domänen spektral verschoben ist. Als wahrscheinlichste Erklärung werden unterschiedliche Ladungsträgerdichten als Folge unterschiedlicher Dichten von Substitutions-Atomen, die sich während des Wachstum ausbilden, als Ursache ausgemacht. Die beobachteten intrinsischen Ladungsträgerdomänen sind somit relevant für jedwede elektronische Anwendung von Sb2Te3 und könnten in vielen anderen Halbleitern mit Van-der-Vaals ähnlichen Bindung zu finden sein. Da die Plasmafrequenz der Ladungsträger in SrTiO3 typischerweise im Terahertz-Bereich liegt, können die lokalen elektronischen Eigenschaften in SrTiO3 nicht direkt mittels s-SNOM unter Verwendung kommerzieller Dauerstrich-Lasern untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die elektronischen Eigenschaften stattdessen über die Plasmon-Phonon-Kopplung indirekt aus den Nahfeld-Spektren der Phononenresonanz in SrTiO3 extrahiert werden können. Basierend auf dieser Methode wird durch die Korrelation mit Elektronen-Mikroskopischen Verfahren die Anreicherung von Elektronen an Korngrenzen in Donor-dotierten SrTiO3 Keramiken nachgewiesen. Als Anwendungsbeispiel für zukünftige Untersuchungen des elektronischen Schaltprozesses, werden die Infrarotspektren lokal geschalteter Bereiche in einem SrTiO3 Dünnfilm ausgewertet. Um das Potenzial der Infrarot-Nanoskopie für in-operando Messungen an vergrabenen Strukturen zu demonstrieren, wir eine vertikale resistiv-schaltende SrTiO3 Zelle mit einer Graphen Deck-Elektrode mittels s-SNOM untersucht. Im lokalen infraroten Streusignal der Zelle werden starke räumliche Inhomogenitäten identifiziert, die mutmaßlich auf unbekannte ausgedehnte Defekte im SrTiO3 Substrat zurückzuführen sind. Im Hauptteil dieser Arbeit werden Konzepte der Nano-Optik (Plasmon-Phonon Kopplung) erfolgreich genutzt, um die Eigenschaften resistiv-schaltender Oxide zu charakterisieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen im Umkehrschluss eine Anwendung der untersuchten Materialien als aktives Medium für die Kontrolle von Oberflächen-Phonon-Polaritonen in der Photonik nahe. Als Ausblick wird daher ein Konzept für die Verwendung von resistiv schaltenden Oxiden als Grundbaustein für wieder-beschreibbare optische Meta-Oberflächen mit nur einer aktiven Schicht präsentiert. [[1] B. Hauer et al. In: Nano Letters, vol. 15, no. 5 (2015), pp. 2787-2793.]

In this thesis the local charge carrier properties of new storage materials for information technology are studied on the nanometer scale. This work is embedded in the collaborative research center 917 "Nanoswitches" and focusses on the materials Sb2Te3 and SrTiO3, which are exemplary for the classes of resistive-switching oxides and phase change materials respectively. In both material classes the electrical resistance can be switched reversibly by applying voltage pulses. However, the exact switching process is not yet fully understood. In order to enable a targeted optimization and scaling of the components, it is particularly important to better understand the influence of defects on the local charge carrier properties. Established analysis methods, however, are either hindered by the often existing nanometer-thick surface layers (electrodes, protective layers, oxides) or do not guarantee a non-destructive examination. Both limitations are circumvented in this thesis by investigating the local charge carrier properties in Sb2Te3 and SrTiO3 with the help of a scattering-type scanning near-field optical microscope (s-SNOM, penetration depth up to 100 nm) in combination with infrared laser beam sources (non-destructive). Hauer et al. observed 2015 in Sb2Te3 nanoplatelets using s-SNOM the formation of triangular domains with a strong contrast in the infrared spectral range.[1] It was argued that the infrared contrast might result from different carrier densities as a consequence of the special growth process of the platelets. In this thesis a detailed s-SNOM growth study of Sb2Te3 is performed. Using s-SNOM chemically synthesized nanoparticles of different morphologies and thin films grown by molecular beam epitaxy are investigated in the infrared spectral range. Such, it is demonstrated that the domain formation is an intrinsic property of Sb2Te3, which can occur independently of the growth method also in technologically relevant systems. The evaluation of normalized near-field spectra shows that the infrared spectrum of the individual domains can be described very well by the Drude model of free charge carriers, where the plasma frequency is spectrally shifted between the domains. As the most likely explanation, different carrier densities as a result of different densities of substitution atoms formed during growth are identified as the cause. The observed intrinsic charge carrier domains are thus relevant for any electronic application of Sb2Te3 and could be found in many other semiconductors with Van-der-Vaals like bonding. Since the plasma frequency of the charge carriers in SrTiO3 is typically in the terahertz range, the local electronic properties in SrTiO3 cannot be directly investigated by s-SNOM using commercial continuous-wave laser sources. In this thesis near-field spectra of the phonon response of SrTiO3 are analyzed. It is shown that the electronic properties can be indirectly extracted from the near-field phonon resonance in SrTiO3 due to plasmon-phonon coupling. Based on this method in combination with electron microscopic methods the accumulation of electrons at grain boundaries in donor-doped SrTiO3 ceramics is observed. As an application example for future investigations of the electronic switching process, the infrared spectra of locally switched spots in SrTiO3 thin films are analyzed. To demonstrate the potential of infrared nanoscopy for in-operando measurements on buried structures, a vertical resistive switching SrTiO3 cell with a graphene cover electrode is imaged using s-SNOM. Strong inhomogeneities are identified in the local infrared scattering signal of the cell, which result presumably from unknown extended defects in the SrTiO3 substrate. In the main part of this thesis, concepts from nano-optics (plasmon-phonon coupling) are successfully applied to characterize the properties of resistively switching oxides. Conversely, the results of this work suggest to apply the functional materials investigated as an active medium for the control of surface phonon polaritons in photonics. As an outlook, a concept is presented for the use of resistively-switching oxides as basic building blocks for rewritable optical meta-surfaces consisting of only one active layer. [[1] B. Hauer et al. In: Nano Letters, vol. 15, no. 5 (2015), pp. 2787-2793.]

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