Микроструктурирование аморфных теллуридных пленок фемтосекундными лазерными импульсами

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

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

Restricted Access

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

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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.
  26. Mittal K.L., Lei W.-S. Laser technology: Applications in adhesion and related areas. Beverly: Wiley, 2018.
  27. 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
  28. 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
  29. 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.
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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
  38. 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
  39. 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
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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
  46. 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
  47. 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
  48. 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
  49. Born M., Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. N.Y.: Elsevier, 2013.
  50. 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
  51. 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
  52. 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
  53. 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
  54. 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
  55. 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
  56. 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
  57. 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
  58. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир, 1986.
  59. 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

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Optical scheme of the experimental setup.

Download (82KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Optical microscope images of GeTe, Ge2Sb2Te5, and Sb2Te3 films modified by femtosecond radiation with different energy densities F0. Images (d) and (p) show LIPSS on GeTe and Ge2Sb2Te5 at higher magnification; images (v), (z), (o), (p) are complemented with color maps for better contrast of reflectivity changes. E — polarization direction of the writing beam.

Download (200KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Laser-induced periodic surface structures on GeTe (a, b, v) formed by femtosecond radiation at F0 = 9.8 mJ/cm2, and on Ge2Sb2Te5 (g, d, e) at F0 = 6.1 mJ/cm2; optical microscope images (a, g), AFM images (b, d), and measured height profiles (v, e).

Download (431KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Optical images of LIPSS on GeTe (a) and Ge2Sb2Te5 (g); corresponding pixel orientation distribution analysis (DLOA-analysis) (v); Fourier analysis of LIPSS periodicity on GeTe (b) and Ge2Sb2Te5 (d).

Download (213KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Raman spectra in the LIPSS region formed by femtosecond pulses in GeTe and Ge2Sb2Te5.

Download (128KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Crystal structures of GeTe (a), Sb2Te3 (b), and Ge2Sb2Te5 (v): blue spheres — Ge atoms, red — Sb atoms, green — Te atoms.

Download (201KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences