Onderzoekers zijn erin geslaagd de immens krachtige röntgenpulsen van de vrije-elektronenlaser (XFEL) -faciliteit SACLA te gebruiken om de aangeslagen toestand-geïnduceerde transiënte roosterdynamiek op sub-picoseconde tijdschalen in faseveranderingsmaterialen via röntgendiffractie te onderzoeken. Phase-change-materialen (PCM) worden veel gebruikt in de huidige generatie herschrijfbare dvd-media en dienen ook als basis voor niet-vluchtig phase-change random access memory (PC-RAM), waarvan algemeen wordt aangenomen dat het de opvolger is van FLASH-geheugen. De XFEL SACLA produceert extreem heldere en korte intense (10 fs) pulsen in het röntgengebied en is de eerste binnenlandse röntgenlaserbron in Japan. De ultrakorte aard van de röntgenpulsen in combinatie met hun korte golflengte (10-10 m) maakt directe stroboscopische observatie mogelijk van voorbijgaande veranderingen in de atomaire structuur van vaste stoffen op ongekende tijdschalen.

In het onderzoeksproject een ultrasnelle gepulste laser werd gebruikt om een ​​Ge2Sb2Te5 epitaxiale film optisch te exciteren en röntgenpulsen van de XFEL werden gebruikt om de daaropvolgende voorbijgaande veranderingen in atomaire posities in de nieuw gecreëerde aangeslagen toestand met sub-picoseconde precisie vast te leggen met behulp van röntgendiffractie. Deze waarnemingen onthulden dat onmiddellijk na excitatie, bindingsbreuk veroorzaakt door de aangeslagen toestand resulteerde in niet-thermische lokale structurele herschikkingen binnen enkele picoseconden, gevolgd door opwarming van het rooster na 4 picoseconden. De vorming van de tot nu toe niet waargenomen tijdelijke structurele toestand werd gevolgd door een verandering van 2 picometer (=10-12 m) in de roosterafstand na 20 picoseconden, zoals onthuld door röntgendiffractie. Er werd waargenomen dat de transiënte toestand meer dan 100 picoseconden aanhield, maar bleek na 1,8 nanoseconden volledig terug te keren naar de oorspronkelijke (grond) toestand.

De aanwezigheid van deze voorheen onbekende transiënte toestand gevormd op picoseconde tijdschalen suggereert sterk dat de gebruikelijke thermisch geïnduceerde nanoseconde-ordeovergang van conventioneel faseveranderingsgeheugen kan worden gebruikt om geheugenomschakeling naar picoseconde tijdschalen te versnellen. Met andere woorden, het gebruik van elektronische excitatie in het faseovergangsproces zal naar verwachting picoseconde tijdschaalgeheugenwerking mogelijk maken. De resultaten van dit onderzoek zullen worden gepubliceerd in het tijdschrift van de British Nature-uitgeverijgroep Wetenschappelijke rapporten online op 12 februari 2016. Bovenstaand onderzoek werd ondersteund door het X-ray Free Electron Laser Priority Strategy Program (nr. 12013011 en 12013023) van het ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie van Japan).

Achtergrond en details van het onderzoek

Bij bestraling van een vaste stof door een laserpuls, elektronen worden geëxciteerd vanuit de grondtoestand naar hogere niveaus, wat leidt tot het creëren van een aangeslagen toestand in de vaste stof. Van een vaste stof in een dergelijke aangeslagen toestand wordt gezegd dat deze zich in een metastabiele of onstabiele toestand bevindt en typisch worden atomen verplaatst van hun evenwichtsposities in de grondtoestand. Door opzettelijk een aangeslagen toestand te creëren in een vaste, het is mogelijk om verplaatsingen in atomaire posities te induceren waardoor de kristalstructuur van de vaste stof kan worden gemanipuleerd. De verplaatsingen in atomaire posities veroorzaakt door dergelijke processen, echter, bevinden zich meestal op de schaal van sub-nanometer (0,1 nm), waardoor het onmogelijk is om dergelijke kleine veranderingen te beoordelen met laserlicht met een golflengte van enkele honderden nanometers. Om zulke kleine positieveranderingen te meten, het is noodzakelijk om sub-nanometer golflengtelicht van de röntgenlaser te gebruiken in de vorm van in de tijd opgeloste röntgendiffractie.

Optische opnamematerialen zoals die gebruikt worden voor DVD-RAM zijn halfgeleidende chalcogeenverbindingen die grotendeels uit Te bestaan ​​en de klasse van dergelijke verbindingen wordt vaak aangeduid als faseovergangsmaterialen. Materialen met faseverandering vertonen grote veranderingen in materiaaleigenschappen, zoals optische reflectiviteit en elektrische weerstand tussen kristallijne en amorfe toestanden, waardoor ze nuttig zijn voor het opnemen van informatie op basis van de overeenkomstige eigenschapsveranderingen. Daten, de typische tijd voor het opnemen van informatie met behulp van deze twee toestanden was in de orde van een nanoseconde (een miljardste van een seconde). In recente jaren, echter, eerste-principe berekeningen hebben voorspeld dat door het gebruik van elektronische excitatie, dergelijke overgangen kunnen plaatsvinden op tijdschalen van picoseconden (een biljoenste van een seconde)a. Als deze voorspellingen uitkomen, grote stappen in zowel de werking met laag energieverbruik als de gegevensdoorvoer zullen haalbaar zijn met behulp van niet-vluchtig faseveranderingsgeheugen.

Om deze doelen te bereiken, het huidige onderzoeksteam gebruikte 's werelds meest geavanceerde vrije-elektronenröntgenlaserfaciliteit [SACLA] om in de tijd opgeloste röntgendiffractiemetingen uit te voeren van de atomaire beweging in een faseovergangsmateriaal op sub-nanometer ruimtelijke schalen.

Onderzoeksinhoud en resultaten

In het kader van het onderzoeksproject werden Ge2Sb2Te5 epitaxiale dunne films (dikte 35 nm) gefabriceerd en bestraald met ultrakorte duur (30 femtoseconden) laserlicht (golflengte 800 nm) bij SACLA. Dit resulteerde in de optische excitatie van elektronen in de Ge2Sb2Te5-film en het creëren van een aangeslagen toestand in het monster. Om de resulterende atomaire beweging na excitatie vast te leggen, XFEL-pulsen (10 femtoseconden duur met 10 keV-energie) werden gebruikt om veranderingen in de monsterstructuur stroboscopisch te observeren met behulp van een CCD (MPCCD)-detector met meerdere poorten om röntgendiffractiebeelden op te nemen met dertig frames per seconde (Figuur 1). Voor de huidige experimenten Röntgendiffractie van de epitaxiaal gegroeide, zeer perfect eenkristalmonster resulteerde in op pieken gebaseerde diffractiebeelden die werden opgenomen door de MPCCD, zoals schematisch wordt weergegeven in figuur 1. Het diffractievlak met de hoogste intensiteit (222) werd gekozen als onderwerp van de tijdsopgeloste diffractie-experimenten en veranderingen in zowel de locatie en intensiteit van de röntgendiffractiepieken werden gevolgd met een tijdresolutie van minder dan picoseconden (Figuur 2). Op deze manier, de veranderingen in de posities van de atomen die het eenkristal van Ge2Sb2Te5 vormen, konden worden gevolgd op de ultrasnelle sub-picoseconde tijdschaal van het huidige experiment.

Met behulp van de bovenstaande techniek, de verplaatsing van atomen uit de kristalevenwichtspositie bleek een maximum te bereiken bij ongeveer 20 picoseconden (Figuur 2 rechts), resulterend in een maximale diffractiepiekverschuiving (0,45 nm-1) met een overeenkomstige atomaire verplaatsing van ongeveer 2 picometer. Vervolgens, na ongeveer 1,8 nanoseconden, de atoomposities bleken terug te keren naar die van het perfecte kristal. Veranderingen in de posities van de röntgendiffractiepieken op de MPCCD weerspiegelen de veranderingen in de roosterafstand van het kristal, terwijl verminderingen in de intensiteit van de pieken veranderingen weerspiegelen in de grootte van de gemiddelde kwadratische trillingen van de atomen rond hun gemiddelde posities (Debye -Waller-effect). De veranderingen zijn schematisch aangegeven in figuur 1, waar de aanvankelijke verweking van het rooster als gevolg van het verbreken van de binding en lokale atomaire herschikkingen geïnduceerd door de excitatie van elektronen, ook al blijft het rooster op kamertemperatuur (het tweede frame (II)). Aansluitend hierop, de temperatuur van het rooster stijgt en leidt tot verdere uitzetting van de roostervlakafstand (frame III). Dus, een atomaire verplaatsing van 2 picometer werd geïnduceerd als de overgang van frame (II) → frame (III).

De huidige metingen zoals gevisualiseerd in figuur 1 maakten observatie van extreem kleine veranderingen mogelijk, minder dan ongeveer 0,08 nm. In aanvulling, dezelfde excitatie-geïnduceerde veranderingen die plaatsvonden in minder dan 1,8 nanoseconden werden bestudeerd bij de Advanced Photon Source met behulp van röntgenabsorptiespectroscopie om de microscopische details van de overgang van de kristallijne naar de amorfe toestand te begrijpen (Figuur 3).

Toekomstige ontwikkelingen

Het huidige onderzoek heeft de details van het faseveranderingsproces onderzocht in zowel herschrijfbare optische als niet-vluchtige geheugenfaseveranderingsmaterialen op picoseconde tijdschalen. Ook werd onlangs ontdekt dat vergelijkbare sub-picoseconde processen plaatsvinden in dunne film GeTe/Sb2Te3 superroosters, wat leidt tot de belofte van toekomstige generaties op faseovergang gebaseerde apparaten die werken met ongekende snelheden en een lager vermogen dan de huidige generatie Ge2Sb2Te5 legeringsfilms.

Verder, werd aangetoond dat de sub-nanometer, sub-picoseconde tijdschaalprocessen kunnen worden waargenomen met behulp van in de tijd opgeloste röntgendiffractie bij SACLA. Bij toekomstige ontwikkelingen, er wordt verwacht dat tijdsopgeloste diffractiemetingen zullen worden uitgevoerd met een tijdresolutie die beter is dan 100 femtoseconden, waardoor de overgangsdynamiek van een breed scala aan materialen kan worden gemeten en begrepen.