Ajankohtaista

Väitös: 23.3. Miten tieto tallentuu DVD:lle? (Kalikka)

Alkamisaika: lauantai 23. maaliskuuta 2013, 12.00

Päättymisaika: lauantai 23. maaliskuuta 2013, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, fysiikan laitos, FYS1

Janne KalikkaSuuria faasimuutosmateriaalien simulaatioita

FM Janne Kalikan fysiikan väitöskirjan "Density functional / molecular dynamics simulations of phase-change materials" (Tiheysfunktionaali- ja molekyylidynamiikkasimulaatioita faasimuutosmateriaaleista) tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Jean-Yves Raty (Universite de Liege, Belgia) ja kustoksena dosentti Jaakko Akola (Tampereen teknillinen yliopisto).

Uudelleenkirjoitettavien CD-, DVD- ja BD-levyjen toiminnan taustalla ovat faasimuutosmateriaalit. Nämä materiaalit voivat olla kiteisessä eli järjestyneessä tai amorfisessa eli epäjärjestyneessä olomuodossa. Olomuodoilla eli faaseilla on erilaiset optiset tai sähköiset ominaisuudet, joten faasi voidaan selvittää mittaamalla laservalon heijastumista tai aineen sähköinen vastus.

Faasimuutosmateriaalit koostuvat enimmäkseen puolimetalleista, telluurista tai antimonista. Näiden lisäksi ne sisältävät monia muita alkuaineita pienempinä pitoisuuksina, esim. germaniumia, galliumia, indiumia tai hopeaa.

Faasimuutos on paitsi nopea, myös reversiibeli, eli faasia voi muuttaa nopeasti kumpaankin suuntaan kiteisen ja amorfisen välillä. Tämä vaatii hienovaraista tasapainoa eri faasien energioille. Tallennusvarmuus ja -nopeus vaativat, että molempien faasien on oltava riittävän vakaita, jotta aine pysyy siinä kymmeniä vuosia huoneenlämmössä, mutta kuitenkin riittävän epävakaita, jotta faasi voidaan vaihtaa toiseksi nanosekunneissa. Optisten levyjen lisäksi faasimuutosmateriaaleista odotetaan myös seuraajaa Flash-muistille, joka on nykyään laajalti käytössä kuluttajaelektroniikassa.

Materiaalien mallinnus supertietokoneella

Faasimuutosmateriaalien rakenteen tutkiminen kokeellisesti on haastavaa eri alkuainekompositioiden suuren määrän vuoksi ja siksi, että epäjärjestyneen materiaalin tarkkaa atomaarista rakennetta ei voi mitata. Atomien paikat ja liike ovat kuitenkin ensiarvoisen tärkeitä, kun yritetään selvittää, miten faasimuutosmateriaalin on mahdollista vaihtaa faasia niin nopeasti. Näin ollen tarvitaan laskennallisia menetelmiä, joilla voi tutkia, millainen tarkka atomirakenne voisi olla.

Janne Kalikka käytti väitöskirjatutkimuksessaan tiheysfunktionaalipohjaisia  molekyylidynamiikkasimulaatioita faasimuutosmateriaalien rakenteen mallintamiseen.  Supertietokoneet ovat kehittyneet paljon ja nykyään on mahdollista sisällyttää simulaatioihin useita satoja atomeita. Väitöstutkimuksen simulaatiot kuuluvat suurimpiin faasimuutosmateriaalien simulaatioihin, joita tähän mennessä on suoritettu.

Simulaatioilla Kalikka tutki kaupallisestikin käytetyn (DVD-RAM-levyt) Ge2Sb2Te5-faasimuutosmateriaalin kiteytymistä, jossa havaittiin eroavaisuuksia yleisesti käytettyyn ideaaliseen malliin. Lisäksi Kalikka tutki kolmen muun faasimuutosmateriaalin rakennetta, joista yhden (Ge15Te85) laskennallista rakennemallia parannettiin sovittamalla se kokeellisiin mittauksiin.  Rakennemallissa on mukana pieni määrä Ge-Ge sidoksia. Kahta muuta materiaalia (GaSb ja GaSb7) tutkittiin mallintamalla kummallekin kaksi erityyppistä amorfista rakennetta. Nämä kaksi rakennetyyppiä ovat asteittain kasvatettu (as-deposited) ja kuumasta nesteestä nopeasti jäähdytetty (melt-quenched), jotka ovat molemmat amorfisia, mutta voivat erota toisistaan esimerkiksi kiteytymisnopeuden osalta. Näistä jäähdytetty rakenne muistuttaa enemmän kiteistä rakennetta, mikä voi osaltaan selittää nopeampaa kiteytymisnopeutta. Lisäksi mallit olivat ensimmäiset tarkat rakenneanalyysit näille Ga/Sb-seoksille.

Lisätietoja:

Janne Kalikka, puh. 040-7695172, janne.kalikka@jyu.fi

Viestintävastaava Liisa Harjula, puh. 050 310 9972, tiedotus@jyu.fi, josta saa väittelijän kuvan sähköisessä muodossa.

Janne Kalikka kirjoitti ylioppilaaksi Tikkakosken lukiosta 2002. Filosofian maisteriksi hän valmistui Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta 2008 ja samana syksynä aloitti jatko-opinnot Jaakko Akolan ohjauksessa. Väitöskirjaa ovat rahoittaneet Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, sekä funktionaalisten materiaalien projekti, jonka rahoittivat Suomen Akatemia ja JST (Japani).

Väitöskirja julkaistaan sarjassa JYFL Research Report numerona 4/2013 [ISBN 978-951-39-5098-9 (nid.), ISBN 978-951-39-5099-6 (verkkoj.), ISSN 0075-465X]. Sitä voi tiedustella fysiikan laitoksesta, puh. 040 805 4356.

Abstract

The rapid and reversible phase change in chalcogenide phase-change materials is an unusual property with many technological applications in rewritable optical memory, such as CD, DVD, or Blu-ray Disc. Phase change materials are a promising candidate for next-generation electronic memory applications, and the first devices became available in 2012.

In this thesis, we studied the structure and dynamics of four phase-change materials: Ge15Te85, Ge2Sb2Te5, GaSb and GaSb7 by simulating the structural models using the density functional (DF) theory of electronic structure. We developed a new model for Ge15Te85 by fitting experimental high-energy x-ray and neutron diffraction data with an atomic structure that had a low DF energy. We studied the crystallization progress of Ge2Sb2Te5 by simulating the structures with a fixed seed to promote crystallization at 500 K, 600 K and 700 K. In the final article, we used molecular dynamics simulation to mimic deposition of GaSb and GaSb7 thin films and modeled the as-deposited and melt-quenched polymorphs of those alloys.

The new model for Ge15Te85 incorporates Ge-Ge bonds, which were excluded from most earlier models. In this material, germanium has two different local environments (tetrahedral and defective octahedral), and tellurium can be classified in two cases depending on its binding with Ge. Nanosized cavities calculated using a Voronoi prescription comprise 22-24% of the total volume.

Ge2Sb2Te5 crystallization simulations at different temperatures agreed with the experimental result for the fastest crystallization speed. We show that the crystalline structure has “wrong bonds”, which are absent in the idealized model of the structure, and that percolation of the crystalline cluster starts at an early stage of´crystallization. Cavities (vacancies) aid the atomic rearrangements during crystallization. GaSb simulations reveal tetrahedral local coordination for both species, as in crystalline GaSb. This can explain the very fast crystallization speed of this material. In GaSb7, gallium is again bonded tetrahedrally, but antimony has the defective octahedral coordination found in elemental antimony. GaSb has no rings with more than eight atoms but GaSb7 has larger rings. The lack of large rings in GaSb was attributed to the lack of suitable cavities that would allow long irreducible rings to surround them. GaSb structures include Ga-rich clusters similar to the crystalline gallium structure.

Tekijä

kuuluu seuraaviin kategorioihin: