高強度THz電場パルスによるGe2Sb2Te5の1次元的結晶成長機構の解明

摘要

Ge_2Sb_2Te_5(GST)は、光または電気パルスによって、アモルファス相と結晶相を双方向に変化可能な材料である。これまでは光学ディスクなどの記録媒体として広く利用されてきたが、近年は電気デバイスへの応用に向けて電気パルスによる相変化の研究が盛hに行われている。電気パルスの時間幅を短くし電極からの熱拡散を抑えることは、デバイスの小型化という観点からとても重要である。最近でもサブナノ秒のパルスを用いた結晶化が報告されているが、熱拡散長はデバイスの大きさと同程度なため、相変化領域は電極から等方的に広がったドーム状の形状を示す。本研究では、従来の百分の一以下の時間幅のピコ秒の電気パルスをテラヘルツ(THz)パルスで実現し、熱拡散が極限的に抑制された状況における結晶化を観測した。その結果、MV/cmを超える高強度な電場がかかっている結晶相においてゼナートンネリングによって電気伝導度が非線形に上昇し、それに伴って結晶先端で強い電場集中が起こり、電場の偏光方向に1次元的に結晶が成長する新しい機構を発見した。