Figure 1 :(en haut) Une représentation schématique de la technique de diffraction des rayons X à résolution temporelle pompe-sonde. Après irradiation de l'échantillon par une impulsion d'excitation proche infrarouge (couleur rouge), une impulsion XFEL (bleue) retardée d'un temps irradie l'échantillon et les changements qui en résultent dans l'intensité et la position du pic de diffraction sont enregistrés par le CCD multiport (MPCCD). représente la rotation de l'échantillon. (en bas) Les images (I) à (III) montrent des changements schématiques dans le monocristal Ge2Sb2Te5 induits par l'excitation femoseconde. Les atomes de Ge sont représentés en jaune, Te atomes en bleu, et les atomes Sb sont représentés en violet.
Les chercheurs ont réussi à utiliser les impulsions de rayons X extrêmement puissantes de l'installation de laser à électrons libres (XFEL) SACLA pour étudier la dynamique du réseau transitoire induite par l'état excité à des échelles de temps inférieures à la picoseconde dans des matériaux à changement de phase via la diffraction des rayons X. Les matériaux à changement de phase (PCM) sont largement utilisés dans la génération actuelle de supports DVD réinscriptibles et servent de base à la mémoire vive à changement de phase non volatile (PC-RAM) largement considérée comme le successeur de la mémoire FLASH. Le XFEL SACLA produit des impulsions extrêmement brillantes et courtes et intenses (10 fs) dans la région des rayons X et est la première source laser à rayons X domestique au Japon. La nature ultracourte des impulsions de rayons X en conjonction avec leur courte longueur d'onde (10-10 m) permet une observation stroboscopique directe des changements transitoires de la structure atomique des solides à des échelles de temps sans précédent.
Dans le projet de recherche, un laser pulsé ultrarapide a été utilisé pour exciter optiquement un film épitaxié Ge2Sb2Te5 et des impulsions de rayons X du XFEL ont été utilisées pour enregistrer les changements transitoires ultérieurs des positions atomiques dans l'état excité nouvellement créé avec une précision sub-picoseconde en utilisant la diffraction des rayons X. Ces observations ont révélé qu'immédiatement après l'excitation, La rupture de liaison induite par l'état excité a entraîné des réarrangements structuraux locaux non thermiques en quelques picosecondes, suivis d'un réchauffement du réseau après 4 picosecondes. La formation de l'état structurel transitoire jusqu'alors inobservé a été suivie d'un changement de 2 picomètres (=10-12 m) dans l'espacement du réseau après 20 picosecondes comme révélé par la diffraction des rayons X. L'état transitoire a été observé pour persister pendant plus de 100 picosecondes, mais il s'est avéré qu'il revenait complètement à l'état initial (fondamental) après 1,8 nanoseconde.
La présence de cet état transitoire auparavant inconnu formé sur des échelles de temps picosecondes suggère fortement que la transition d'ordre nanoseconde induite thermiquement habituelle de la mémoire à changement de phase conventionnelle peut être utilisée pour accélérer la commutation de la mémoire aux échelles de temps picosecondes. En d'autres termes, l'utilisation de l'excitation électronique dans le processus de transition à changement de phase devrait permettre le fonctionnement de la mémoire à l'échelle de la picoseconde. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue du groupe d'édition British Nature Rapports scientifiques en ligne le 12 février 2016. La recherche ci-dessus a été soutenue par le programme de stratégie prioritaire pour les lasers à électrons sans rayons X (nos 12013011 et 12013023) du ministère de l'Éducation, Culture, Des sports, Science et technologie du Japon).
Contexte et détails de la recherche
Figure 2 :Changements résolus dans le temps dans le signal de diffraction des rayons X plan (222). (a) Les changements dans le pic de diffraction des rayons X de -10 ~ +1800 ps sont indiqués. L'axe horizontal est un nombre d'onde. (b) Les changements dans le pic de diffraction des rayons X de -10 ~ +30 ps sont affichés sous forme agrandie. Avant excitation optique, le pic de diffraction est situé à environ 36 nm-1, alors qu'immédiatement après l'excitation l'intensité commence à diminuer et après un délai d'environ 4 ps, le pic commence à se déplacer vers un nombre d'onde plus petit. Le décalage atteint une valeur maximale pour un délai d'environ 20 ps. Après environ 1,8 ns, le pic revient à sa position d'origine.
Lors de l'irradiation d'un solide par une impulsion laser, les électrons sont excités de l'état fondamental à des niveaux plus élevés conduisant à la création d'un état excité dans le solide. Un solide dans un tel état excité est dit être dans un état métastable ou instable et typiquement les atomes sont déplacés de leurs positions d'équilibre dans l'état fondamental. En créant intentionnellement un état excité dans un solide, il est possible d'induire des déplacements de positions atomiques permettant de manipuler la structure cristalline du solide. Les déplacements de positions atomiques induits par de tels processus, cependant, sont généralement à l'échelle sub-nanométrique (0,1 nm), ce qui rend impossible l'évaluation de ces petits changements à l'aide d'une lumière laser d'une longueur d'onde de plusieurs centaines de nanomètres. Pour mesurer de si petits changements de position, il est nécessaire d'utiliser une lumière de longueur d'onde inférieure au nanomètre provenant du laser à rayons X sous la forme d'une diffraction des rayons X résolue en temps.
Les matériaux d'enregistrement optique tels que ceux utilisés pour les DVD-RAM sont des composés chalcogènes semi-conducteurs largement composés de Te et la classe de ces composés est souvent appelée matériaux à changement de phase. Les matériaux à changement de phase présentent de grands changements dans les propriétés des matériaux tels que la réflectivité optique et la résistance électrique entre les états cristallin et amorphe, ce qui les rend utiles pour enregistrer des informations basées sur les changements de propriétés correspondants. À ce jour, le temps typique d'enregistrement d'informations utilisant ces deux états a été de l'ordre d'une nanoseconde (un milliardième de seconde). Dans les années récentes, cependant, les calculs des premiers principes ont prédit qu'en utilisant l'excitation électronique, de telles transitions peuvent se produire sur des échelles de temps de la picoseconde (un billionième de seconde)a. Si ces prédictions se réalisent, des progrès majeurs à la fois dans le fonctionnement à faible puissance et le débit de données seront réalisables en utilisant une mémoire à changement de phase non volatile.
Pour faire avancer ces objectifs, l'équipe de recherche actuelle a utilisé l'installation laser à rayons X à électrons libres la plus avancée au monde [SACLA] pour effectuer des mesures de diffraction des rayons X à résolution temporelle du mouvement atomique dans un matériau à changement de phase à des échelles spatiales inférieures au nanomètre.
Figure 3 :Mesures structurelles par spectroscopie d'absorption des rayons X à résolution temporelle (XAFS) d'un film polycristallin de Ge2Sb2Te5. (a) Avec des électrons excités par une impulsion laser ultrarapide (état excité), avant excitation, et après excitation. (b) Spectres de référence pour l'état amorphe et l'état liquide comparés aux spectres d'état excité.
Contenu et résultats de la recherche
Dans le cadre du projet de recherche Ge2Sb2Te5, des couches minces épitaxiales (épaisseur 35 nm) ont été fabriquées et irradiées avec une lumière laser ultracourte (30 femtosecondes) (longueur d'onde 800 nm) au SACLA. Cela a entraîné l'excitation optique des électrons dans le film Ge2Sb2Te5 et la création d'un état excité dans l'échantillon. Afin de capturer le mouvement atomique résultant après excitation, Des impulsions XFEL (durée de 10 femtosecondes avec une énergie de 10 keV) ont été utilisées pour observer de manière stroboscopique les changements dans la structure de l'échantillon à l'aide d'un détecteur CCD à lecture multiple (MPCCD) pour enregistrer des images de diffraction des rayons X à trente images par seconde (Figure 1). Pour les expériences en cours, Diffraction des rayons X à partir de la croissance épitaxiale, Un échantillon de monocristal très parfait a entraîné l'enregistrement d'images de diffraction basées sur des pics par le MPCCD, comme le montre schématiquement la figure 1. Le plan de diffraction de l'intensité la plus élevée (222) a été choisi comme sujet des expériences de diffraction résolues en temps et des changements dans les deux l'emplacement et l'intensité des pics de diffraction des rayons X ont été suivis avec une résolution temporelle inférieure à la picoseconde (figure 2). De cette façon, les changements de position des atomes constituant le monocristal Ge2Sb2Te5 ont pu être suivis à l'échelle de temps ultrarapide sub-picoseconde de la présente expérience.
En utilisant la technique ci-dessus, le déplacement des atomes à partir de la position d'équilibre du cristal atteignait un maximum à environ 20 picosecondes (Figure 2 à droite) entraînant un décalage maximal du pic de diffraction (0,45 nm-1) avec un déplacement atomique correspondant d'environ 2 picomètres. Ensuite, après environ 1,8 nanosecondes, les positions des atomes se sont avérées revenir à celles du cristal parfait. Les changements dans les positions des pics de diffraction des rayons X sur le MPCCD reflètent les changements dans l'espacement du réseau du cristal tandis que les réductions de l'intensité des pics reflètent les changements dans l'amplitude des vibrations quadratiques moyennes des atomes autour de leurs positions moyennes (Debye -Effet Waller). Les changements sont indiqués schématiquement sur la figure 1 où le ramollissement initial du réseau résultant de la rupture des liaisons et des réarrangements atomiques locaux induits par l'excitation des électrons, même si le treillis reste à température ambiante (le deuxième cadre (II)). Suite à cela, la température du réseau augmente et conduit à une expansion supplémentaire de l'espacement des plans du réseau (cadre III). Ainsi, un déplacement atomique de 2 picomètres a été induit à la transition du repère (II) → repère (III).
Les mesures actuelles telles que visualisées sur la figure 1 ont permis d'observer des changements extrêmement faibles, moins d'environ 0,08 nm. En outre, les mêmes changements induits par l'excitation qui se sont produits en moins de 1,8 nanoseconde ont été étudiés à la source avancée de photons en utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X pour comprendre les détails microscopiques de la transition de l'état cristallin à l'état amorphe (Figure 3).
Développements futurs
La recherche actuelle a étudié les détails du processus de changement de phase dans les matériaux à changement de phase à mémoire optique et non volatile réinscriptibles sur des échelles de temps de la picoseconde. Également récemment, il a été découvert que des processus sub-picosecondes similaires se produisent dans les super-réseaux GeTe/Sb2Te3 à couche mince, ce qui promet de futures générations de dispositifs à base de matériaux à changement de phase fonctionnant à des vitesses sans précédent et à une puissance inférieure à celle de la génération actuelle de films d'alliage Ge2Sb2Te5.
Par ailleurs, il a été démontré que le sous-nanomètre, des processus à l'échelle inférieure à la picoseconde peuvent être observés en utilisant la diffraction des rayons X à résolution temporelle au SACLA. Dans les développements futurs, il est prévu que les mesures de diffraction résolues dans le temps seront effectuées avec une résolution temporelle meilleure que 100 femtosecondes permettant la mesure et la compréhension de la dynamique de transition d'une large gamme de matériaux.
