Atomic resolution HAADF imaging applied to GeTe/Sb2Te3 superlattices - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Atomic resolution HAADF imaging applied to GeTe/Sb2Te3 superlattices

Mesure de composition par imageries à résolution atomique appliquée aux super-réseaux GeTe/Sb2Te3

Résumé

Phase change memories (PCM) offer faster data processing, cost-effectiveness and bridges the gap between DRAM and NAND-Flash, enabling Storage Class Memory (SCM). Reducing programming currents is the key challenge, and new material structures are being considered. GeTe/Sb2Te3 (GST) superlattices (SLs) have shown promising results since 2011. Due to the complex nature of SLs, the precise material configuration in its two resistance states and the exact atomic structure of the crystalline state are not yet fully understood. In this context, the focus of this thesis is the development of a new Python framework for automatic processing of High Angle Annular Dark Field-Scanning Transmission Electron Microscopy (HAADF-STEM) images to bring a quantitative, accurate mapping of the different chemical species with atomic resolution together with the precise measurement of the associated interatomic distances. In addition, we developed a new methodology that involves analyzing the statistical positions of atomic columns, which provides information on the anisotropic displacements of atoms. Firstly, our method is tested and validated on a SiGe/Si multilayer sample. Then it is applied to provide detailed information on the structural properties of Sb2Te3 thin films. In addition to being a constituent of chalcogenide SLs and a seed layer for the growth of the SL, Sb2Te3 is of great technological interest as it is a topological insulator. Results showed that the presence of one to two Te atomic planes on top of the substrate is crucial for successful growth of these films. This is enabled by a van der Waals gap between the substrate and the first Sb2Te3 layer, allowing for van der Waals epitaxy. In addition, we reproduced with an excellent precision the absolute HAADF intensity profile across a Sb2Te3 QL providing further insight into the atomic vibration characteristics. Finally, the method is applied to the GeTe/Sb2Te3 non periodic pseudo-2D materials SLs; in particular, the Ge/Sb intermixing is analyzed quantitatively.
Les mémoires à changement de phase (PCM) permettent un traitement plus rapide des données, un meilleur rapport coût-efficacité et réduisent l'écart entre la DRAM et la NAND-Flash, rendant possible la mémoire de classe de stockage (SCM). Le principal enjeu consiste à réduire les courants de programmation, et de nouvelles structures sont envisagées. Les super-réseaux (SR) GeTe/Sb2Te3 (GST) ont montré des résultats prometteurs depuis 2011. En raison de la nature complexe des SRs, la composition précise du matériau dans ses deux états de résistance ainsi que la structure atomique exacte de l'état cristallin ne sont pas encore totalement maîtrisées. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur le développement d'un nouveau framework Python dédié au traitement automatique des images de microscopie électronique à transmission à balayage à champ sombre annulaire à grand angle (HAADF-STEM) afin d'obtenir une cartographie quantitative et précise des différentes espèces chimiques avec une résolution atomique ainsi qu'une mesure précise des distances interatomiques associées. En outre, nous avons développé une nouvelle méthodologie qui implique l'analyse statistique des positions des colonnes atomiques, ce qui fournit des informations sur les déplacements anisotropes des atomes. Tout d'abord, notre méthode est testée et validée sur un échantillon multicouche SiGe/Si de référence. Elle est ensuite appliquée à des films minces de Sb2Te3 afin de fournir en détail les propriétés structurelles de ces films. En plus d'être un constituant des SRs et une couche d'amorçage pour la croissance des SRs, le Sb2Te3 est d'un grand intérêt technologique car c'est un isolant topologique. Les résultats ont montré que la présence d'un ou deux plans atomiques de Te sur le substrat est cruciale pour la croissance réussie de ces films. Ceci est rendu possible par un gap de van der Waals (vdW) entre le substrat et la première couche de Sb2Te3, permettant une épitaxie vdW. En outre, nous avons reproduit avec une excellente précision le profil absolu d'intensité HAADF à travers un bloc de Sb2Te3, ce qui nous a permis de comprendre les vibrations atomiques de ces structures. Enfin, la méthode est appliquée aux SRs de GeTe/Sb2Te3, pseudo-2D non périodiques ; en particulier, le mélange Ge/Sb est analysé quantitativement.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04526256 , version 1 (29-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04526256 , version 1

Citer

Vitomir Sever. Atomic resolution HAADF imaging applied to GeTe/Sb2Te3 superlattices. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALY056⟩. ⟨tel-04526256⟩
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