相変化光スイッチの相変化状態制御の理論解析と最適なデバイス構造・材料の探索

相变光开关相变状态控制理论分析及寻找最佳器件结构和材料

• 批准号: 20K05373
• 负责人: 佐野 陽之
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Ishikawa National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K05373/
• 关键词: 相変化; 光スイッチ; 物理シミュレーション; 第一原理計算

昨年度行ったシミュレーションから、GST層の過熱が不均一であるため、急冷中に再結晶化が顕著に発生し、光スイッチの消光比性能が劣化することが分かった。不均一加熱の原因を調べるため、GST加熱時の電流・電位分布を解析したところ、GSTの乗っていないITO（ヒーター層）領域の相対的な電気抵抗が大きくなり、その部分で発生するジュール熱が大きくなることが不均一加熱の原因であることが分かった。この結果をもとに、GST内の温度差を小さくするための検討を行い、「GST膜の乗っていないITO領域の膜厚を2倍にしたモデル構造」を提案した。このモデル構造のシミュレーションでは、GST内の温度差が約半分になり、冷却後の再結晶化が大きく減少する結果を得た。波長1550nm付近の光吸収が非常に小さく、高速に相変化（変態）するMnTeは、光スイッチ用の有望な相変化材料であり、その物性と相変化メカニズムを明らかにすることを目的にMnTeの第一原理計算を進めた。αとβの２つのMnTe結晶相を対象に、計算手法（近似）としてGGA-UとHSE06を用い、構造最適化、状態密度分布（DOS）、エネルギーバンド図、光学誘電率の計算を行った。GGA-U近似を用いた場合、バンドギャップが実験値より30％程度小さくなったが、HSE06近似を用いた場合、バンドギャップは実験値とほぼ同じ値になった。研究分担者は、様々な物性評価のためにMnTe薄膜の作成を行った。スパッタによって作成した直後のβ相試料は平滑で均一な膜となるが、α相形成のためにアニールすると、数１０nmサイズのすき間が分布する膜となった。2つの層の密度が大きく異なり、βからαに相変化すると体積が大きく減少するためと考えられる。β相薄膜のエリプソメータ測定から得た屈折率は、第一原理計算で求めた結果と特徴が良く合っていることが分かった。

In the past year, the GST layer has been heated inhomogenously, recrystallized during quenching, and the extinction ratio performance of the light source has been deteriorated. Analysis of the current and potential distribution during GST heating due to the cause of uneven heating due to the relatively large electrical resistance in the ITO (silicon oxide layer) region of GST and the generation of heat due to uneven heating due to large electrical resistance. The results show that the temperature difference in GST is small, and the film thickness in ITO region of GST film is twice that of GST film. The temperature difference in the GST was reduced by about half a minute, and the recrystallization after cooling was greatly reduced. The optical absorption near wavelength 1550nm is very small, high speed phase transition (phase transition), MnTe is a promising phase transition material for optical and optical applications, and the first principle calculation of MnTe is advanced.α, β and MnTe crystal phase correlation, calculation method (approximation), GGA-U and HSE06 application, structure optimization, density of states (DOS), generation of parameters, calculation of optical permittivity GGA-U approximation is used in the middle of the case, in the middle of the case. Study on the preparation of MnTe thin films by co-authors for physical evaluation. The β-phase sample was made to be smooth and uniform, and the α-phase sample was formed to be distributed between 10nm and 10nm. 2. The density of the layers varies greatly, β varies greatly, and the volume decreases greatly.β-phase thin films are characterized by good refractive index and first-principle calculation.

项目成果

相変化材料を用いた光スイッチ動作のシミュレーション解析

使用相变材料的光开关操作仿真分析

• 发表时间: 2023
• 作者: 佐野陽之;桑原正史
• 通讯作者: 桑原正史

相変化材料を用いた光スイッチ動作の連成物理シミュレーション

使用相变材料的光开关操作的耦合物理模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: 佐野陽之;桑原正史
• 通讯作者: 桑原正史

Realistic Simulation Model of Ge2Sb2Te5 Phase Change Alloys for Optical Device

光学器件用Ge2Sb2Te5相变合金的真实仿真模型

• 发表时间: 2021
• 作者: H. Sano;M. Kuwahara
• 通讯作者: M. Kuwahara

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GeSbTeのリアルな相変化シミュレーションモデルの開発

开发 GeSbTe 的真实相变仿真模型

• 发表时间: 2021
• 作者: 佐野陽之;桑原正史
• 通讯作者: 桑原正史