Dottorato in FISICA

Titolo della tesi: Study of phase-change materials for low-energy devices

Questo lavoro di dottorato esplora gli sviluppi recenti nel campo dei materiali a cambiamento di fase, una famiglia di materiali impiegati nelle memorie a cambiamento di fase (PCM) per applicazioni neuromorfiche. Sebbene i PCM offrano uno switching energeticamente efficiente, la fabbricazione di dispositivi nanoscala presenta sfide quali il drift di resistenza e la migrazione atomica durante il cosiddetto cycling. Una strategia promettente per mitigare tali criticità consiste nella progettazione di eterostrutture a cambiamento di fase (PCH), in cui il materiale a cambiamento di fase viene confinato da un materiale opportunamente scelto. L’obiettivo principale di questa ricerca è verificare la fattibilità di tale approccio e dimostrare la sua implementazione in dispositivi reali. Lo studio si apre con una panoramica generale sui PCM e sulle PCH, evidenziando le limitazioni attuali e le prospettive di sviluppo emerse negli ultimi anni. Particolare attenzione è riservata a eterostrutture innovative basate su Ge₂Sb₂Te₅ e GeTe, confinate da TiTe₂; simulazioni computazionali indicano che tali sistemi possono essere realizzati sperimentalmente e mostrano promettenti proprietà di switching. Inoltre, viene analizzata un’eterostruttura composta da antimonio puro confinato da TiTe₂, che evidenzia dinamiche di ricristallizzazione ultrarapide, potenzialmente vantaggiose per applicazioni di memoria. Il lavoro contribuisce inoltre allo studio dei film sottili di Bi, condotto in collaborazione con l’Università RWTH di Aachen. Variando lo spessore del film, si sono indagate le distorsioni di Peierls e i meccanismi di legame, dimostrando che le proprietà elettroniche e strutturali del Bi possono essere affinate modificando lo spessore, con una transizione dal legame covalente a quello metavalente. Infine, una collaborazione con STMicroelectronics ha coinvolto simulazioni TCAD di celle di memoria basate su Ge₂Sb₂Te₅, permettendo lo sviluppo e la calibrazione di modelli in grado di riprodurre fedelmente il comportamento del dispositivo. In conclusione, questa tesi contribuisce a una migliore comprensione delle PCH come nuovo concetto di dispositivo, aprendo nuove prospettive per l’in-memory e il neuromorphic computing. I risultati evidenziano il notevole potenziale delle eterostrutture a cambiamento di fase e suggeriscono ulteriori approfondimenti sperimentali e computazionali per ottimizzare dispositivi basati su PCM.