This thesis deals with the synthesis and characterization of Ge-Te-Sb (GST) thin films. The films were deposited using a Pulsed Laser Deposition (PLD) method and mainly characterized with XRD, SEM, AFM and TEM. For amorphous and polycrystalline films, un-etched Si(100) was used. The amorphous films showed a similar crystallization behavior as films deposited with sputtering and evaporation techniques. When depositing GST on un-etched Si(100) substrates at elevated substrate temperatures (130-240°C), polycrystalline but highly textured films were obtained. The preferred growth orientation was either GST(111) or GST(0001) depending on if the films were cubic or hexagonal. Epitaxial films were prepared on crystalline substrates. On KCl(100), a mixed growth of hexagonal GST(0001) and cubic GST(100) was observed. The hexagonal phase dominates at low temperatures whereas the cubic phase dominates at high temperatures. The cubic phase is accompanied with a presumed GST(221) orientation when the film thickness exceeds ~70 nm. Epitaxial films were obtained with deposition rates as high as 250 nm/min. On BaF2(111), only (0001) oriented epitaxial hexagonal GST films are found, independent of substrate temperature, frequency or deposition background pressure. At high substrate temperatures there is a loss of Ge and Te which shifts the crystalline phase from Ge2Sb2Te5 towards GeSb2Te4. GST films deposited at room temperature on BaF2(111) were in an amorphous state, but after exposure to an annealing treatment they crystallize in an epitaxial cubic structure. Film deposition on pre-cleaned and buffered ammonium fluoride etched Si(111) show growth of epitaxial hexagonal GST, similar to that of the deposition on BaF2(111). When the Si-substrates were heated directly to the deposition temperature films of high crystal-line quality were obtained. An additional heat treatment of the Si-substrates prior to deposition deteriorated the crystal quality severely. The gained results show that PLD can be used as a method in order to obtain high quality epitaxial Ge-Sb-Te films from a compound target and using high deposition rates.

This thesis deals with the synthesis and characterization of Ge-Te-Sb (GST) thin films. The films were deposited using a Pulsed Laser Deposition (PLD) method and mainly characterized with XRD, SEM, AFM and TEM. For amorphous and polycrystalline films, un-etched Si(100) was used. The amorphous films showed a similar crystallization behavior as films deposited with sputtering and evaporation techniques. When depositing GST on un-etched Si(100) substrates at elevated substrate temperatures (130-240°C), polycrystalline but highly textured films were obtained. The preferred growth orientation was either GST(111) or GST(0001) depending on if the films were cubic or hexagonal. Epitaxial films were prepared on crystalline substrates. On KCl(100), a mixed growth of hexagonal GST(0001) and cubic GST(100) was observed. The hexagonal phase dominates at low temperatures whereas the cubic phase dominates at high temperatures. The cubic phase is accompanied with a presumed GST(221) orientation when the film thickness exceeds ~70 nm. Epitaxial films were obtained with deposition rates as high as 250 nm/min. On BaF2(111), only (0001) oriented epitaxial hexagonal GST films are found, independent of substrate temperature, frequency or deposition background pressure. At high substrate temperatures there is a loss of Ge and Te which shifts the crystalline phase from Ge2Sb2Te5 towards GeSb2Te4. GST films deposited at room temperature on BaF2(111) were in an amorphous state, but after exposure to an annealing treatment they crystallize in an epitaxial cubic structure. Film deposition on pre-cleaned and buffered ammonium fluoride etched Si(111) show growth of epitaxial hexagonal GST, similar to that of the deposition on BaF2(111). When the Si-substrates were heated directly to the deposition temperature films of high crystal-line quality were obtained. An additional heat treatment of the Si-substrates prior to deposition deteriorated the crystal quality severely. The gained results show that PLD can be used as a method in order to obtain high quality epitaxial Ge-Sb-Te films from a compound target and using high deposition rates.

The thesis deals with the preparation, characterization and, in particular, with the switching properties of phase-change material (PCM) thin films. The films were deposited using the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. Phase transformations in these films were triggered by means of thermal annealing, laser pulses, and electrical pulses. The five major physical aspects structure transformation, crystallization kinetics, topography, optical properties, and electrical properties have been investigated using XRD, TEM, SEM, AFM, DSC, UV-Vis spectroscopy, a custom-made nanosecond UV laser pump-probe system, in situ resistance measurements, and conductive-AFM. The systematic investigation of the ex situ thermally induced crystallization process of pure stoichiometric GeTe films and O-incorporating GeTe films provides detailed information on structure transformation, topography, crystallization kinetics, optical reflectivity and electrical resistivity. The results reveal a significant improvement of the thermal stability in PCM application for data storage. With the aim of reducing the switching energy consumption and to enhance the optical reflectivity contrast by improving the quality of the produced films, the growth of the GeTe films with simultaneous in situ thermal treatment was investigated with respect to optimizing the film growth conditions, e.g. growth temperature, substrate type. For the investigation of the fast phase transformation process, GeTe films were irradiated by ns UV laser pulses, tailoring various parameters such as pulse number, laser fluence, pulse repetition rate, and film thickness. Additionally, the investigation focused on the comparison of crystallization of GST thin films induced by either nano- or femtosecond single laser pulse irradiation, used to attain a high data transfer rate and to improve the understanding of the mechanisms of fast phase transformation. Non-volatile optical multilevel switching in GeTe phase-change films was identified to be feasible and accurately controllable at a timescale of nanoseconds, which is promising for high speed and high storage density of optical memory devices. Moreover, correlating the dynamics of the optical switching process and the structural information demonstrated not only exactly how fast phase change processes take place, but also, importantly, allowed the determination of the rapid kinetics of phase transformation on the microscopic scale. In the next step, a new general concept for the combination of PCRAM and ReRAM was developed. Bipolar electrical switching of PCM memory cells at the nanoscale can be achieved and improvements of the performance in terms of RESET/SET operation voltage, On/Off resistance ratio and cycling endurance are demonstrated. The original underlying mechanism was verified by the Poole-Frenkel conduction model. The polarity-dependent resistance switching processes can be visualized simultaneously by topography and current images. The local microstructure on the nanoscale of such memory cells and the corresponding local chemical composition were correlated. The gained results contribute to meeting the key challenges of the current understanding and of the development of PCMs for data storage applications, covering thin film preparation, thermal stability, signal-to-noise ratio, switching energy, data transfer rate, storage density, and scalability.

The thesis deals with the preparation, characterization and, in particular, with the switching properties of phase-change material (PCM) thin films. The films were deposited using the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. Phase transformations in these films were triggered by means of thermal annealing, laser pulses, and electrical pulses. The five major physical aspects structure transformation, crystallization kinetics, topography, optical properties, and electrical properties have been investigated using XRD, TEM, SEM, AFM, DSC, UV-Vis spectroscopy, a custom-made nanosecond UV laser pump-probe system, in situ resistance measurements, and conductive-AFM. The systematic investigation of the ex situ thermally induced crystallization process of pure stoichiometric GeTe films and O-incorporating GeTe films provides detailed information on structure transformation, topography, crystallization kinetics, optical reflectivity and electrical resistivity. The results reveal a significant improvement of the thermal stability in PCM application for data storage. With the aim of reducing the switching energy consumption and to enhance the optical reflectivity contrast by improving the quality of the produced films, the growth of the GeTe films with simultaneous in situ thermal treatment was investigated with respect to optimizing the film growth conditions, e.g. growth temperature, substrate type. For the investigation of the fast phase transformation process, GeTe films were irradiated by ns UV laser pulses, tailoring various parameters such as pulse number, laser fluence, pulse repetition rate, and film thickness. Additionally, the investigation focused on the comparison of crystallization of GST thin films induced by either nano- or femtosecond single laser pulse irradiation, used to attain a high data transfer rate and to improve the understanding of the mechanisms of fast phase transformation. Non-volatile optical multilevel switching in GeTe phase-change films was identified to be feasible and accurately controllable at a timescale of nanoseconds, which is promising for high speed and high storage density of optical memory devices. Moreover, correlating the dynamics of the optical switching process and the structural information demonstrated not only exactly how fast phase change processes take place, but also, importantly, allowed the determination of the rapid kinetics of phase transformation on the microscopic scale. In the next step, a new general concept for the combination of PCRAM and ReRAM was developed. Bipolar electrical switching of PCM memory cells at the nanoscale can be achieved and improvements of the performance in terms of RESET/SET operation voltage, On/Off resistance ratio and cycling endurance are demonstrated. The original underlying mechanism was verified by the Poole-Frenkel conduction model. The polarity-dependent resistance switching processes can be visualized simultaneously by topography and current images. The local microstructure on the nanoscale of such memory cells and the corresponding local chemical composition were correlated. The gained results contribute to meeting the key challenges of the current understanding and of the development of PCMs for data storage applications, covering thin film preparation, thermal stability, signal-to-noise ratio, switching energy, data transfer rate, storage density, and scalability.

Die monolithische Integration von Phasenwechselmaterialien mit Halbleiter-Hetero\-strukturen er\"offnet neue Perspektiven f\"ur zuk\"unftige Generationen von nichtfl\"uchtigen Speicherbauelementen. %Epitaktische Phasenwechselmaterialien erm�glichen detaillierte %Studien der strukturellen �nderungen w�hrend des Phasen�bergangs und %erlauben eine Bestimmung der Skalierungslimits zuk�nftiger %Datenspeicher. Diese Arbeit befasst sich mit dem epitaktischen Wachstum von Ge-Sb-Te Phasenwechselmaterialien. Dazu wurden Ge-Sb-Te(GST) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf GaSb(001)-Substraten abgeschieden. Die kristallografische Orientierung und die Ver\"anderungen der Gitterkonstante w\"ahrend des Wachstums wurden mittels R\"ontgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD) bestimmt. Das Nukleationsverhalten zu Beginn des Wachstums wurde mittels Hochenergie-Elektronenbeugung unter streifendem Einfall (RHEED) untersucht. / The integration of phase change materials into semiconductor heterostructures may lead to the development of a new generation of high density non-volatile phase change memories. Epitaxial phase change materials allow to study the detailed structural changes during the phase transition and to determine the scaling limits of the memory. This work is dedicated to the epitaxial growth of Ge-Sb-Te phase change alloys on GaSb(001). We deposit Ge-Sb-Te (GST) films on GaSb(001) substrates by means of molecular beam epitaxy (MBE). The film orientation and lattice constant evolution is determined in real time during growth using grazing incidence X-ray diffraction (GID). The nucleation stage of the growth is studied \emph{in situ} using reflection high energy electron diffraction (RHEED).

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.