Dynamique ultra-rapide dans les matériaux à changement de phase et verres chalcogénures

Abstract

Les chalcogénures sont constitués d'un alliage de Te, S ou Se, avec un élément électropositif tel que Ge, In ou Ag. Composants clés dans les mémoires, notamment avec le développement des architectures 3D Xpoint par Intel, ils sont également prometteurs pour de futures applications synaptiques d'intelligence artificielle. Leurs remarquables propriétés optiques et électriques les rendent parfaitement adaptés pour les applications de stockage de données.Tout d'abord, ils possèdent un grand contraste optique et électrique entre leur phase amorphe et cristalline : pour GeTe, un chalcogénure typique utilisé dans les dispositifs mémoires, la réflectivité de la phase cristalline vaut le double de celle de la phase amorphe, et plusieurs ordres de grandeur séparent les résistivités de ces deux phases. Par ailleurs, le phénomène de commutation à seuil (threshold switching), similaire à un effet transistor, permet une transition très rapide, réversible, qui peut être aussi rapide que quelques centaines de picosecondes sous l'excitation d'une impulsion laser ou électrique. Cette commutation à seuil s'effectue sous deux formes, qui définissent deux sous-catégories de chalcogénures. Dans le premier cas, il s'agit d'une transition permanente (non volatile) entre une phase amorphe et une phase cristalline, qui caractérise les matériaux 'mémoires à changement de phase' (PCM). Dans le second cas, une transition non-permanente est déclenchée entre un premier état amorphe très résistif et un second de faible résistivité, définissant les matériaux commutateurs ovoniques à seuil (OTS). Les deux procédés étant déclenchés par une excitation électronique, l'interaction des chalcogénures PCM avec des impulsions laser ultra-courtes a suscité beaucoup d'intérêt dans le but d'atteindre une transition non-thermique qui dépasserait les vitesses actuelles dans les dispositifs mémoires, restreintes par des procédés thermiques.L'interférométrie dans le domaine des fréquences, une technique pompe-sonde avec une résolution temporelle sub-picoseconde ainsi qu'une résolution longitudinale nanométrique, a permis de sonder la dynamique ultra-rapide des états hors-équilibre résultant de l'irradiation par un laser pompe de 30 fs, à 800 nm, de couches minces de GeTe amorphe, un PCM typique, ainsi que trois verres de type Ge-Sb-Se-N, candidats pour des applications OTS. Cette méthode permet de retrouver les propriétés diélectriques, mais également d'identifier la nature et la dynamique de la surface. En complément, des simulations ab initio hors-équilibre de dynamique moléculaire (AIMD) ont permis une compréhension plus poussée des résultats expérimentaux.Ces résultats révèlent que le GeTe photo-excité subit une transition amorphe-amorphe, avec quelques subtilités. En 300 fs, une transition non-thermale est détectée, et aboutit à un état hors-équilibre dont la structure est très similaire à la phase liquide. À l'échelle picoseconde, le couplage électron-phonon induit une transition thermique pour les hautes excitations, accompagnée du développement d'une phase liquide et de la contraction du matériau. Cette dynamique affecte principalement les atomes de Ge, qui passent de sites locaux tétraédriques à octaédriques.Les verres chalcogénures démontrent une réponse différente à l'excitation laser. Tout d'abord, la fonction diélectrique dépend beaucoup plus de l'intensité laser. Ensuite, bien qu'une phase liquide apparaisse, cette phase est très différente des états hors-équilibre. Il est tout de même intéressant de noter qu'à la fois pour GeTe et les verres chalcogénures, l'environnement local des atomes de Ge tend à devenir octahédrique sous l'effet de l'excitation.Ces résultats permettent une nouvelle perception des états excités des chalcogénures, intervenant dans les deux procédés hors-équilibre notables des mémoires : transition des matériaux mémoires à changement de phase, ainsi que le phénomène de commutation à seuil sous l'effet d'un champ statique.