Vetri calcogenuri per applicazioni di commutazione di memorie con particolare riguardo agli aspetti di modellazione e simulazioni

In this work, we initially investigate the defect and material characterization of La2O3 and CeO2 high-k dielectric constant materials as gate oxide materials in MOSFETs . We present a simulation-based methodology, relying on an accurate description of charge trapping and transport that is useful to extract relevant information on material and defect characteristics. This methodology was applied to cerium oxide and lanthanum oxide high-k dielectric materials and as a result, material properties alongside defect characteristics were extracted. Consequently, main charge conduction mechanism throughout the device was identified to be the trap-assisted tunneling (TAT). Then in the second chapter we introduce a python script-tool for autonomous extraction and characterization of statistical parameters of disordered materials. The aim of the project was to establish a methodology for the structural analysis of amorphous chalcogenide phase-change materials. The code utilizes NumPy and Pandas standard libraries and functions by loading the standard atomic structure trajectories or single configuration from the molecular dynamics calculations as input, subsequently, calculating interatomic distances and angles via trajectory analysis resulting in the extraction of parameters such as: order parameter q, a detailed coordination number, radial and angle distribution functions, local population statistics and local order coordinates in PDB and XYZ formats. Furthermore, the code is agnostic to the code that generated the single configuration or trajectories as well as the elements of the structure. \\ After that, the third chapter thoroughly investigates the hierarchical short- and medium-range order structures in amorphous glasses for selectors applications. Our study includes an in-depth analysis of the relationship between the bonding mechanisms and the resulting physical properties. By employing the molecular dynamics, we study the structural features such as short-range local orders of both the liquid and amorphous phase in Ge-based chalcogenide binary GexSe1-x systems in the range 0.4 < x < 0.6. Our results indicate the formation of temperature-dependent hierarchical structures with short-range local orders and medium-range structures, which vary with the Ge content. Our classical molecular dynamics simulations are able to describe the profound structural differences between the melt and the glassy structures of GeSe chalcogenides. These results set the path for understanding the interplay between chemical composition, atomic structure, and electrical properties in switching materials. Finally, In the fourth chapter, we present a first principle study of the switching mechanism of Ge54Te216As20Se30 for Memory applications, The electrical and structural properties of GeTe4 and the effects of As2Se3 are studied in the framework of ab initio simulations coupled within the Carr-Parrinello approach and density functional theory. The structural analysis are carried out via utilizing the BELLO code for structural trajectories. In order to simulate the electrical switching behavior of chalcogenide glasses in selectors, the systems are melted up to their melting temperature then quenched back down to 300K. The correlation between the amorphous and crystalline phases are thoroughly studied via our statistical approaches coupled with density functional calculations. Our findings paved new routes towards thermal approaches in chalcogenide glasses studies for switching materials.

In questo lavoro, esaminiamo inizialmente la caratterizzazione e i difetti dei materiali ad alta costante dielettrica (high-k) La2O3 e CeO2, utilizzati come materiali di ossido di gate nei MOSFET. Presentiamo una metodologia basata sulla simulazione, fondata su una descrizione accurata dell'intrappolamento e del trasporto di carica utile per estrarre informazioni rilevanti sulle caratteristiche del materiale e dei difetti. Questa metodologia è stata applicata ai materiali dielettrici high-k ossido di cerio e ossido di lantanio ricavando, di conseguenza, le proprietà del materiale, insieme alle caratteristiche dei difetti. Di conseguenza, il meccanismo principale di conduzione della carica in tutto il dispositivo è stato identificato nel tunneling assistito da trappole (TAT). Quindi nel secondo capitolointroduciamo uno script-tool Python per l'estrazione e la caratterizzazione autonoma di parametri statistici relativi a materiali disordinati. Lo scopo del progetto è stabilire una metodologia per l'analisi strutturale dei materiali calcogenuri amorfi a cambiamento di fase. Il codice utilizza le librerie e le funzioni standard di NumPy e Pandas, accettando in ingresso le traiettorie della struttura atomica standard o la configurazione ottenuta dai calcoli relativi alla dinamica molecolare. Successivamente, il tool calcola le distanze e gli angoli interatomici tramite l'analisi della traiettoria, consentendo quindi di estrarre parametri come: parametro d’ordine q, un dettagliato numero di coordinazione, funzioni di distribuzione radiale e angolare, statistiche sulla popolazione locale e coordinate d’ordine locali nei formati PDB e XYZ. Inoltre, il codice è agnostico sia rispetto al codice che ha generato la singola configurazione o traiettoria, che rispetto agli elementi della struttura. Successivamente, il terzo capitoloindaga a fondo le strutture gerarchiche di ordine a breve e medio raggio nei vetri amorfi per applicazioni di selettori. Il nostro studio include un'analisi approfondita della relazione tra i meccanismi di legame e le proprietà fisiche risultanti. Impiegando la dinamica molecolare, studiamo le caratteristiche strutturali come gli ordini locali a corto raggio, sia della fase liquida che di quella amorfa, nei sistemi binari di calcogenuro GexSe1-x nel intervallo 0,4 <x <0,6. I nostri risultati indicano la formazione di strutture gerarchiche, dipendenti dalla temperatura, con ordini locali a corto raggio e strutture a medio raggio, che variano con il contenuto di Ge. Le nostre simulazioni di dinamica molecolare classica sono in grado di descrivere le profonde differenze strutturali tra la strutture fuse e vetrose dei calcogenuri GeSe. Questi risultati stabiliscono la via per la comprensione dell'interazione tra composizione chimica, struttura atomica e proprietà elettriche nei materiali di commutazione. Infine, nel quarto capitolo, presentiamo uno studio ab-initio del meccanismo di commutazione di ASGT per le applicazioni di memoria. Le proprietà elettriche e strutturali di GeTe4 e gli effetti di As2Se3 sono studiati nel quadro delle simulazioni ab-initio accoppiate all’interno dell'approccio Carr-Parrinello e alla teoria del funzionale della densità. L'analisi strutturale viene eseguita utilizzando il codice BELLO per le traiettorie strutturali. Al fine di simulare il comportamento di commutazione elettrica dei vetri calcogenuri nei selettori, i sistemi vengono fusi fino alla loro temperatura di fusione, quindi fatti raffreddare nuovamente fino a 300K. La correlazione tra la fase amorfa e cristallina viene studiata a fondo tramite i nostri approcci statistici accoppiati con calcoli dei funzionali di densità.