Микроструктурирование аморфных теллуридных пленок фемтосекундными лазерными импульсами
- Authors: Смирнов П.А.1,2,3, Лебедева Я.С.1, Никитин К.Г.1, Кузовков Д.О.1,2,3, Федянина М.Е.1, Козюхин С.А.4, Будаговский И.А.2, Смаев М.П.2
-
Affiliations:
- Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”
- Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
- ООО НПЦ “Лазеры и аппаратура ТМ”
- Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук
- Issue: Vol 61, No 1-2 (2025)
- Pages: 101-110
- Section: МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ “ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ: ФИЗИКА, ТЕХНОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЯ”, МОСКВА, 23–27 июня 2024 г.
- URL: https://jdigitaldiagnostics.com/0002-337X/article/view/686949
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X25010101
- EDN: https://elibrary.ru/KFRHZV
- ID: 686949
Cite item
Abstract
Лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры (ЛИППС) из чередующихся линий аморфной и кристаллической фаз в тонкопленочных халькогенидных фазопеременных материалах перспективны для приложений в перестраиваемых энергонезависимых фотонных устройствах. В работе рассмотрена фемтосекундная модификация аморфных пленок халькогенидных соединений Ge2Sb2Te5, GeTe и Sb2Te3. Анализ закристаллизованных областей и областей формирования ЛИППС проводили с помощью эллипсометрии, оптической и атомно-силовой микроскопии, а также спектроскопии комбинационного рассеяния. В узком диапазоне плотностей энергий фемтосекундных импульсов в пленках GeTe и Ge2Sb2Te5 записаны аморфно-кристаллические ЛИППС, в то время как в Sb2Te3 двухфазные периодические структуры не формировались ни при каких значениях плотности энергии.
Full Text

About the authors
П. А. Смирнов
Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”; Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук; ООО НПЦ “Лазеры и аппаратура ТМ”
Author for correspondence.
Email: petrsmirnov2009@gmail.com
Russian Federation, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498; Ленинский пр., 53, Москва, 119991; проезд 4922, 4, стр.4, Зеленоград, Москва, 124498
Я. С. Лебедева
Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”
Email: petrsmirnov2009@gmail.com
Russian Federation, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498
К. Г. Никитин
Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”
Email: petrsmirnov2009@gmail.com
Russian Federation, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498
Д. О. Кузовков
Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”; Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук; ООО НПЦ “Лазеры и аппаратура ТМ”
Email: petrsmirnov2009@gmail.com
Russian Federation, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498; Ленинский пр., 53, Москва, 119991; проезд 4922, 4, стр.4, Зеленоград, Москва, 124498
М. Е. Федянина
Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”
Email: petrsmirnov2009@gmail.com
Russian Federation, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498
С. А. Козюхин
Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук
Email: petrsmirnov2009@gmail.com
Russian Federation, Ленинский пр., 31, Москва, 119991
И. А. Будаговский
Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
Email: petrsmirnov2009@gmail.com
Russian Federation, Ленинский пр., 53, Москва, 119991
М. П. Смаев
Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
Email: smayev@lebedev.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 53, Москва, 119991
References
- Shportko K., Kremers S., Woda M., Lencer D., Robertson J., Wuttig M. Resonant bonding in crystalline phase-change materials // Nat. Mater. 2008. V. 7. № 8. P. 653. https://doi.org/10.1038/nmat2226
- Prabhathan P., Sreekanth K.V., Teng J., Ko J.H., Yoo Y.J., Jeong H.-H., Lee Y., Zhang S., Cao T., Popescu C.-C., Mills B., Gu T., Fang Z., Chen R., Tong H., Wang Y., He Q., Lu Y., Liu Z., Yu H., Mandal A., Cui Y., Ansari A.S., Bhingardive V., Kang M., Lai C.K., Merklein M., Müller M.J., Song Y.M., Tian Z., Hu J., Losurdo M., Majumdar A., Miao X., Chen X., Gholipour B., Richardson K.A., Eggleton B.J., Wuttig M., Singh R. Roadmap for phase change materials in photonics and beyond // iScience. 2023. V. 26. № 10. P. 107946. https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107946
- Wuttig M., Yamada N. Phase-change materials for rewriteable data storage // Nat. Mater. 2007. V. 6. № 11. P. 824. https://doi.org/10.1038/nmat2009
- Chen X., Chen L., Sun L., Wei T., Ling Y., Hu J., Cheng M., Liu Q., Wang R., Li W., Liu B. Ge2Sb2Te5 Thin film as a promising heat-mode resist for high-resolution direct laser writing lithography // Phys. Status Solidi RRL. 2023. V. 17. № 12. P. 2300262. https://doi.org/10.1002/pssr.202300262
- Liu Z.C., Wang L. Applications of phase change materials in electrical regime from conventional storage memory to novel neuromorphic computing // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 76471. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2990536
- Zhu Q., Shi S., Wang J., Fang Q., Li M., Dong J. Linear optical switch metasurface composed of cross-shaped nano-block and Ge2Sb2Te5 film // Opt. Commun. 2021. V. 498. P. 127222. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127222
- Raoux S., Wełnic W., Ielmini D. Phase change materials and their application to nonvolatile memories // Chem. Rev. 2010. V. 110. № 1. P. 240. https://doi.org/10.1021/cr900040x
- Lotnyk A., Ross U., Dankwort T., Hilmi I., Kienle L., Rauschenbach B. Atomic structure and dynamic reconfiguration of layered defects in van der Waals layered Ge-Sb-Te based materials // Acta Mater. 2017. V. 141. P. 92. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.09.012
- Mio A.M., Privitera S.M.S., Bragaglia V., Arciprete F., Bongiorno C., Calarco R., Rimini E. Chemical and structural arrangement of the trigonal phase in GeSbTe thin films // Nanotechnology. 2017. V. 28. № 6. P. 065706. https://doi.org/10.1088/1361-6528/28/6/065706
- Lotnyk A., Hilmi I., Behrens M., Rauschenbach B. Temperature dependent evolution of local structure in chalcogenide-based superlattices // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 536. P. 147959. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147959
- Kozyukhin S.A., Lazarenko P.I., Popov A.I., Eremenko I.L. Phase change memory materials and their applications // Russ. Chem. Rev. 2022. V. 91. № 9. P. RCR5033. https://doi.org/10.1070/RCR5033
- Bahl S.K., Chopra K.L. Amorphous versus crystalline GeTe films. II. Optical properties // J. Appl. Phys. 1969. V. 40. № 12. P. 4940. https://doi.org/10.1063/1.1657318
- Tran N.T., Chang Y.C., Faragalli D.A., Roberts S.S., Josefowicz J.Y., Shing Y.H. GeTe thin films: amorphous and crystalline characteristics // J. Vac. Sci. Technol., A. 1983. V. 1. № 2. P. 345. https://doi.org/10.1116/1.572131
- Bruns G., Merkelbach P., Schlockermann C., Salinga M., Wuttig M., Happ T.D., Philipp J.B., Kund M. Nanosecond switching in GeTe phase change memory cells // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. № 4. P. 043108. https://doi.org/10.1063/1.3191670
- Ionin V.V., Kiselev A.V., Eliseev N.N., Mikhalevsky V.A., Pankov M.A., Lotin A.A. Multilevel reversible laser-induced phase transitions in GeTe thin films // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 117. № 1. P. 011901. https://doi.org/10.1063/5.0014375
- Gawelda W., Siegel J., Afonso C.N., Plausinaitiene V., Abrutis A., Wiemer C. Dynamics of laser-induced phase switching in GeTe films // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. № 12. P. 123102. https://doi.org/10.1063/1.3596562
- Eliseev N.N., Kiselev A.V., Ionin V.V., Mikhalevsky V.A., Burtsev A.A., Pankov M.A., Karimov D.N., Lotin A.A. Wide range optical and electrical contrast modulation by laser-induced phase transitions in GeTe thin films // Results Phys. 2020. V. 19. P. 103466. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103466
- Fujimori S., Yagi S., Yamazaki H., Funakoshi N. Crystallization process of Sb‐Te alloy films for optical storage // J. Appl. Phys. 1988. V. 64. № 3. P. 1000. https://doi.org/10.1063/1.341908
- Li S., Huang H., Zhu W., Wang W., Chen K., Yao D.-X., Wang Y., Lai T., Wu Y., Gan F. Femtosecond laser-induced crystallization of amorphous Sb2Te3 film and coherent phonon spectroscopy characterization and optical injection of electron spins // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. № 5. P. 053523. https://doi.org/10.1063/1.3633228
- Reddy G.B., Dhar A., Malhotra L.K., Sharmila E.K. Comparative study of crystallization processes in Sb2Te3 films using laser and thermal annealing techniques // Thin Solid Films. 1992. V. 220. № 1. P. 111. https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90557-R
- Liu W.-L., Chen Y., Li T., Song Z.-T., Wu L.-C. Effect of Mo doping on phase change performance of Sb2Te3 // Chin. Phys. B. 2021. V. 30. № 8. P. 086801. https://doi.org/10.1088/1674-1056/abe22d
- Zhang H., Liu C.-X., Qi X.-L., Dai X., Fang Z., Zhang S.-C. Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface // Nat. Phys. 2009. V. 5. № 6. P. 438. https://doi.org/10.1038/nphys1270
- Hsieh D., Xia Y., Qian D., Wray L., Meier F., Dil J.H., Osterwalder J., Patthey L., Fedorov A.V., Lin H., Bansil A., Grauer D., Hor Y.S., Cava R.J., Hasan M.Z. Observation of time-reversal-protected single-Dirac-cone topological-insulator states in Bi2Te3 and Sb2Te3 // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. № 14. P. 146401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.146401
- Kim J., Kim J., Jhi S.-H. Prediction of topological insulating behavior in crystalline Ge-Sb-Te // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. № 20. P. 201312. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.201312
- Bonse J., Kirner S.V., Krüger J., Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) // Handbook of laser micro- and nano-engineering / Ed. Sugioka K. N.Y.: Springer, 2020. Р. 59. https://doi.org/10.1007/978-3-319-69537-2_17-2.
- Mittal K.L., Lei W.-S. Laser technology: Applications in adhesion and related areas. Beverly: Wiley, 2018.
- Bonse J., Krüger J., Höhm S., Rosenfeld A. Femtosecond laser-induced periodic surface structures // J. Laser Appl. 2012. V. 24. № 4. P. 042006. https://doi.org/10.2351/1.4712658
- Sipe J.E., Young J.F., Preston J.S., van Driel H.M. Laser-induced periodic surface structure. I. Theory // Phys. Rev. B. 1983 V. 27. № 2. P. 1141. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.1141
- Ахманов С.А., Емельянов В.И., Коротеев Н.И., Семиногов В.Н. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика // Успехи физ. наук. 1985. Т. 147. № 12. С. 675.
- Bonse J., Rosenfeld A., Krüger J. On the role of surface plasmon polaritons in the formation of laser-induced periodic surface structures upon irradiation of silicon by femtosecond-laser pulses // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. № 10. P. 104910. https://doi.org/10.1063/1.3261734
- Wu Q., Ma Y., Fang R., Liao Y., Yu Q., Chen X., Wang K. Femtosecond laser-induced periodic surface structure on diamond film // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. № 11. P. 1703. https://doi.org/10.1063/1.1561581
- Volkov R.V., Golishnikov D.M., Gordienko V.M., Savel’ev A.B. Overheated plasma at the surface of a target with a periodic structure induced by femtosecond laser radiation // JETP Lett. 2003. V. 77. № 9. P. 473. https://doi.org/10.1134/1.1591972
- Gnilitskyi I., Derrien T.J.Y., Levy Y., Bulgakova N.M., Mocek T., Orazi L. High-speed manufacturing of highly regular femtosecond laser-induced periodic surface structures: physical origin of regularity // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 8485. https://doi.org/10.1038/s41598-017-08788-z
- Dostovalov A.V., Korolkov V.P., Babin S.A. Formation of thermochemical laser-induced periodic surface structures on Ti films by a femtosecond IR Gaussian beam: regimes, limiting factors, and optical properties // Appl. Phys. B. 2016. V. 123. № 1. P. 30. https://doi.org/10.1007/s00340-016-6600-z
- Öktem B., Pavlov I., Ilday S., Kalaycıoğlu H., Rybak A., Yavaş S., Erdoğan M., Ilday F.Ö. Nonlinear laser lithography for indefinitely large-area nanostructuring with femtosecond pulses // Nat. Photonics. 2013. V. 7. № 11. P. 897. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.272
- Katsumata Y., Morita T., Morimoto Y., Shintani T., Saiki T. Self-organization of a periodic structure between amorphous and crystalline phases in a GeTe thin film induced by femtosecond laser pulse amorphization // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. № 3. P. 031907. https://doi.org/10.1063/1.4890862
- Kozyukhin S., Smayev M., Sigaev V., Vorobyov Y., Zaytseva Y., Sherchenkov A., Lazarenko P. Specific Features of formation of laser-induced periodic surface structures on Ge2Sb2Te5 amorphous thin films under illumination by femtosecond laser pulses // Phys. Status Solidi B. 2020. V. 257. № 11. P. 1900617. https://doi.org/10.1002/pssb.201900617
- Zabotnov S., Kolchin A., Shuleiko D., Presnov D., Kaminskaya T., Lazarenko P., Glukhenkaya V., Kunkel T., Kozyukhin S., Kashkarov P. Periodic relief fabrication and reversible phase transitions in amorphous Ge2Sb2Te5 thin films upon multi-pulse femtosecond irradiation // Micro. 2022. V. 2. № 1. P. 88. https://doi.org/10.3390/micro2010005
- Trofimov P.I., Bessonova I.G., Lazarenko P.I., Kirilenko D.A., Bert N.A., Kozyukhin S.A., Sinev I.S. Rewritable and tunable laser-induced optical gratings in phase-change material films // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. V. 13. № 27. P. 32031. https://doi.org/10.1021/acsami.1c08468
- Smayev M.P., Lazarenko P.I., Budagovsky I.A., Yakubov A.O., Borisov V.N., Vorobyov Y.V., Kunkel T.S., Kozyukhin S.A. Direct single-pass writing of two-phase binary diffraction gratings in a Ge2Sb2Te5 thin film by femtosecond laser pulses // Opt. Laser Technol. 2022. V. 153. Р. 108212. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108212
- Zhao K., Han W., Han Z., Zhang X., Zhang X., Duan X., Wang M., Yuan Y., Zuo P. Ultrafast laser-induced integrated property–structure modulation of Ge2Sb2Te5 for multifunction and multilevel rewritable optical recording // Nanophotonics. 2022. V. 11. № 13. P. 3101. https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0133
- Смаев М.П., Лазаренко П.И., Федянина М.Е., Будаговский И.А., Рааб А., Сагунова И.В., Козюхин С.А. Формирование периодических двухфазных структур на поверхности аморфных пленок Ge2Sb2Te5 при воздействии ультракоротких лазерных импульсов различной длительности и частоты следования // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 2. С. 196. https://doi.org/10.21883/OS.2023.02.55005.15-23
- Li Y., Stoica V.A., Endicott L., Wang G., Sun H., Pipe K.P., Uher C., Clarke R. Femtosecond laser-induced nanostructure formation in Sb2Te3 // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. № 12. P. 121903. https://doi.org/10.1063/1.3634014
- Li Y., Stoica V.A., Sun K., Liu W., Endicott L., Walrath J.C., Chang A.S., Lin Y.-H., Pipe K.P., Goldman R.S., Uher C., Clarke R. Ordered horizontal Sb2Te3 nanowires induced by femtosecond lasers // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. № 20. P. 201904. https://doi.org/10.1063/1.4902073
- Jellison G.E., Jr., Modine F.A. Parameterization of the optical functions of amorphous materials in the interband region // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. № 3. P. 371. https://doi.org/10.1063/1.118064
- Smayev M.P., Smirnov P.A., Budagovsky I.A., Fedyanina M.E., Glukhenkaya V.B., Romashkin A.V., Lazarenko P.I., Kozyukhin S.A. Cylindrical laser beams for a-Ge2Sb2Te5 thin film modification // J. Non-Cryst. Solids. 2024. V. 633. P. 122952. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2024.122952
- Будаговский И.А., Кузовков Д.О., Лазаренко П.И., Смаев М.П. Анализ фемтосекундной модификации тонких пленок a-Ge2Sb2Te5 методом XZ-сканирования // Оптика и спектроскопия. 2024. Т. 132. № 1. С. 27. https://doi.org/10.61011/OS.2024.01.57545.7-24
- Němec P., Přikryl J., Nazabal V., Frumar M. Optical characteristics of pulsed laser deposited Ge–Sb–Te thin films studied by spectroscopic ellipsometry // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. № 7. P. 073520. https://doi.org/10.1063/1.3569865
- Born M., Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. N.Y.: Elsevier, 2013.
- Шерченков А.А., Козюхин С.А., Лазаренко П.И., Бабич А.В., Богословский Н.А., Сагунова И.В., Редичев Е.Н. Электрофизические свойства и механизмы переноса в тонких пленках материалов фазовой памяти на основе халькогенидных полупроводников квазибинарного разреза GeTe–Sb2Te3 // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51. № 2. С. 154. https://doi.org/10.21883/FTP.2017.02.44096.8270
- Belousov D.A., Dostovalov A.V., Korolkov V.P., Mikerin S.L. A microscope image processing method for analyzing TLIPSS structures // Comput. Opt. 2019. V. 43. № 6. P. 936. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-6-936-945
- Bragaglia V., Holldack K., Boschker J.E., Arciprete F., Zallo E., Flissikowski T., Calarco R. Far-infrared and Raman spectroscopy investigation of phonon modes in amorphous and crystalline epitaxial GeTe-Sb2Te3 alloys // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 28560. https://doi.org/10.1038/srep28560
- Andrikopoulos K.S., Yannopoulos S.N., Voyiatzis G.A., Kolobov A.V., Ribes M., Tominaga J. Raman scattering study of the a-GeTe structure and possible mechanism for the amorphous to crystal transition // J. Phys.: Condens. Matter. 2006. V. 18. № 3. P. 965. https://doi.org/10.1088/0953-8984/18/3/014
- Urban P., Schneider M.N., Erra L., Welzmiller S., Fahrnbauer F., Oeckler O. Temperature dependent resonant X-ray diffraction of single-crystalline Ge2Sb2Te5 // CrystEngComm. 2013. V. 15. № 24. P. 4823. https://doi.org/10.1039/C3CE26956F
- Da Silva J.L.F., Walsh A., Lee H. Insights into the structure of the stable and metastable GeTe, Sb2Te3 compounds // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. № 22. P. 224111. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.224111
- Kolobov A.V., Fons P., Frenkel A.I., Ankudinov A.L., Tominaga J., Uruga T. Understanding the phase-change mechanism of rewritable optical media // Nat. Mater. 2004. V. 3. № 10. P. 703. https://doi.org/10.1038/nmat1215
- Sun Z., Zhou J., Ahuja R. Structure of phase change materials for data storage // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. № 5. P. 055507. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.055507
- Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир, 1986.
- Sittner E.-R., Siegert K.S., Jost P., Schlockermann C., Lange F.R.L., Wuttig M. (GeTe)x–(Sb2Te3)1−x–phase-change thin films as potential thermoelectric materials // Phys. Status Solidi A. 2013. V. 210. № 1. P. 147. https://doi.org/10.1002/pssa.201228397
Supplementary files
