Forskare har lyckats använda de oerhört kraftfulla röntgenpulserna från anläggningen för fri elektronlaser (XFEL) SACLA för att undersöka exciterat tillstånd inducerad transient gitterdynamik på sub-pikosekunders tidsskalor i fasförändringsmaterial via röntgendiffraktion. Phase-change material (PCM) används i stor utsträckning i den nuvarande generationen av omskrivbara DVD-media och fungerar som grunden för icke-flyktigt fasförändringsminne (PC-RAM) som anses allmänt vara efterföljaren till FLASH-minnet. XFEL SACLA producerar extremt ljusa och korta intensiva (10 fs) pulser i röntgenområdet och är den första inhemska röntgenlaserkällan i Japan. Den ultrakorta naturen hos röntgenpulserna i kombination med deras korta våglängd (10-10 m) möjliggör direkt stroboskopisk observation av övergående förändringar i atomstrukturen hos fasta ämnen på aldrig tidigare skådad tidsskala.

I forskningsprojektet, en ultrasnabb pulsad laser användes för att optiskt excitera en Ge2Sb2Te5 epitaxiell film och röntgenpulser från XFEL användes för att registrera de efterföljande transienta förändringarna i atompositioner i det nyskapade exciterade tillståndet med sub-pikosekunders precision med röntgendiffraktion. Dessa observationer avslöjade att omedelbart efter excitation, bindningsbrytning inducerad av det exciterade tillståndet resulterade i icke-termiska lokala strukturella omarrangemang inom några pikosekunder följt av uppvärmning av gittret efter 4 pikosekunder. Bildandet av det hittills oobserverade transienta strukturella tillståndet följdes av en 2 picometer (=10-12 m) förändring i gitteravståndet efter 20 pikosekunder, vilket avslöjades av röntgendiffraktion. Det övergående tillståndet observerades kvarstå i över 100 pikosekunder, men visade sig fullständigt återgå till det initiala (mark)tillståndet efter 1,8 nanosekunder.

Närvaron av detta tidigare okända transienta tillstånd bildat på pikosekunders tidsskalor tyder starkt på att den vanliga termiskt inducerade nanosekundsordningens övergång av konventionellt fasförändringsminne kan användas för att påskynda minnesväxling till pikosekunders tidsskalor. Med andra ord, användningen av elektronisk excitering i fasförändringsprocessen förväntas möjliggöra minnesdrift i en tidsskala i pikosekunder. Resultaten av denna forskning kommer att publiceras i tidskriften British Nature Vetenskapliga rapporter online den 12 februari, 2016. Ovanstående forskning stöddes av röntgenfri elektronlaserprioritetsstrategiprogram (nr 12013011 och 12013023) från utbildningsministeriet, Kultur, Sporter, Japans vetenskap och teknik).

Bakgrund och detaljer om forskningen

Vid bestrålning av ett fast ämne med en laserpuls, elektroner exciteras från grundtillståndet till högre nivåer vilket leder till skapandet av ett exciterat tillstånd i den fasta substansen. En fast substans i ett sådant exciterat tillstånd sägs vara i ett metastabilt eller instabilt tillstånd och typiskt förskjuts atomer från sina jämviktspositioner i grundtillståndet. Genom att avsiktligt skapa ett upphetsat tillstånd i ett fast ämne, det är möjligt att inducera förskjutningar i atompositioner som tillåter manipulering av kristallstrukturen hos den fasta substansen. Förskjutningarna i atompositioner som induceras av sådana processer, dock, är vanligtvis på subnanometerskalan (0,1 nm) vilket gör det omöjligt att bedöma så små förändringar med laserljus med en våglängd på flera hundra nanometer. För att mäta så små förändringar i position, det är nödvändigt att använda sub-nanometer våglängdsljus från röntgenlasern i form av tidsupplöst röntgendiffraktion.

Optiska inspelningsmaterial som de som används för DVD-RAM är halvledande kalkogenföreningar som till stor del består av Te och klassen av sådana föreningar kallas ofta för fasförändringsmaterial. Fasförändringsmaterial uppvisar stora förändringar i materialegenskaper såsom optisk reflektivitet och elektrisk resistans mellan kristallina och amorfa tillstånd, vilket gör dem användbara för att registrera information baserad på motsvarande egenskapsförändringar. Hittills, den typiska tiden för registrering av information med dessa två tillstånd har varit i storleksordningen en nanosekund (en miljarddels sekund). På senare år har dock, beräkningar av de första principerna har förutspått att genom användning av elektronisk excitering, sådana övergångar kan fås att ske på pikosekundtidsskalor (en biljondels sekund)a. Om dessa förutsägelser förverkligas, stora framsteg i både lågeffektdrift och datagenomströmning kommer att kunna uppnås med hjälp av icke-flyktigt fasförändringsminne.

För att främja dessa mål, det nuvarande forskarteamet använde världens mest avancerade röntgenlaseranläggning för frielektroner [SACLA] för att utföra tidsupplösta röntgendiffraktionsmätningar av atomrörelsen i ett fasförändringsmaterial på subnanometers rumsliga skalor.

Forskningsinnehåll och resultat

Inom ramen för forskningsprojektet Ge2Sb2Te5 tillverkades epitaxiella tunna filmer (tjocklek 35 nm) och bestrålades med ultrakort varaktighet (30 femtosekunder) laserljus (våglängd 800 nm) vid SACLA. Detta resulterade i optisk excitation av elektroner i Ge2Sb2Te5-filmen och skapandet av ett exciterat tillstånd i provet. För att fånga den resulterande atomrörelsen efter excitation, XFEL-pulser (10 femtosekunders varaktighet med 10 keV energi) användes för att stroboskopiskt observera förändringar i provstrukturen med användning av en flerportsavläsning CCD (MPCCD) detektor för att spela in röntgendiffraktionsbilder vid trettio bilder per sekund (Figur 1). För de aktuella experimenten, Röntgendiffraktion från den epitaxiellt odlade, mycket perfekt enkristallprov resulterade i att toppbaserade diffraktionsbilder registrerades av MPCCD, vilket schematiskt visas i figur 1. Diffraktionsplanet med högsta intensitet (222) valdes som föremål för de tidsupplösta diffraktionsexperimenten och förändringar i både placeringen och intensiteten av röntgendiffraktionstopparna spårades med tidsupplösning under pikosekunder (Figur 2). På det här sättet, förändringarna i positionerna för atomerna som utgör Ge2Sb2Te5-enkristallen kunde följas på den ultrasnabba sub-pikosekund-tidsskalan i det aktuella experimentet.

Med hjälp av ovanstående teknik, förskjutningen av atomer från kristalljämviktspositionen befanns nå ett maximum vid cirka 20 pikosekunder (Figur 2 till höger) vilket resulterade i en maximal diffraktionstoppförskjutning (0,45 nm-1) med en motsvarande atomförskjutning på cirka 2 picometer. Därefter efter cirka 1,8 nanosekunder, atompositionerna visade sig återgå till de för den perfekta kristallen. Förändringar i positionerna för röntgendiffraktionstopparna på MPCCD återspeglar förändringarna i gitteravståndet mellan kristallen medan minskningar i topparnas intensitet återspeglar förändringar i storleken på medelkvadratvibrationer för atomerna kring deras genomsnittliga positioner (Debye -Waller-effekt). Förändringarna indikeras schematiskt i figur 1 där den initiala gitteruppmjukningen resulterar från bindningsbrytning och lokala atomomläggningar inducerade av elektronexcitation, även om gallret förblir vid rumstemperatur (den andra ramen (II)). Efter detta, gittrets temperatur stiger och leder till ytterligare expansion av gitterplansavståndet (ram III). Således, en atomförskjutning på 2 picometer inducerades som övergången från ram (II) → ram (III).

De strömmätningar som visas i figur 1 möjliggjorde observation av extremt små förändringar, mindre än cirka 0,08 nm. Dessutom, samma excitationsinducerade förändringar som inträffade på mindre än 1,8 nanosekunder studerades vid Advanced Photon Source med användning av röntgenabsorptionsspektroskopi för att förstå de mikroskopiska detaljerna i övergången från det kristallina till det amorfa tillståndet (Figur 3).

Framtida utveckling

Den aktuella forskningen har undersökt detaljerna i fasförändringsprocessen i både omskrivbara optiska och icke-flyktiga minnesfasförändringsmaterial på pikosekunders tidsskalor. Nyligen upptäcktes det också att liknande processer under pikosekund inträffar i tunnfilms GeTe/Sb2Te3-supergitter, vilket leder till löftet om framtida generationer av fasförändringsmaterialbaserade enheter som arbetar med oöverträffade hastigheter och lägre effekt än den nuvarande generationen av Ge2Sb2Te5-legeringsfilmer.

Vidare, det visades att subnanometern, sub-picosecond tidsskala processer kan observeras med hjälp av tidsupplöst röntgendiffraktion vid SACLA. I den framtida utvecklingen, det förväntas att tidsupplösta diffraktionsmätningar kommer att utföras med en tidsupplösning bättre än 100 femtosekunder, vilket möjliggör mätning och förståelse av övergångsdynamik för ett brett spektrum av material.