The fast and reversible phase transition mechanism between crystalline and amorphous phases of Ge2Sb2Te5 has been in debate for several years. Through employing first-principles density functional theory calculations, we identify a direct structural link between the metastable crystalline and amorphous phases. The phase transition is driven by the displacement of Ge atoms along the rocksalt [111] direction from stable octahedron to high energy unstable tetrahedron sites close to the intrinsic vacancy regions, which generates a high energy intermediate phase between metastable and amorphous phases. Due to the instability of Ge at the tetrahedron sites, the Ge atoms naturally shift away from those sites, giving rise to the formation of local-ordered fourfold motifs and the long-range structural disorder. Intrinsic vacancies, which originate from Sb2Te3, lower the energy barrier for Ge displacements, and hence, their distribution plays an important role in the phase transition. The high energy intermediate configuration can be obtained experimentally by applying an intense laser beam, which overcomes the thermodynamic barrier from the octahedron to tetrahedron sites. The high figure of merit of Ge2Sb2Te5 is achieved from the optimal combination of intrinsic vacancies provided by Sb2Te3 and the instability of the tetrahedron sites provided by GeTe.

2.
S. R.
Ovshinsky
,
Phys. Rev. Lett.
21
,
1450
(
1968
).
3.
N.
Yamada
,
E.
Ohno
,
K.
Nishiuchi
,
N.
Akahira
, and
T.
Takao
,
J. Appl. Phys.
69
,
2849
(
1991
).
4.
I.
Friedrich
,
V.
Weidenhof
,
W.
Njoroge
,
P.
Franz
, and
M.
Wuttig
,
J. Appl. Phys.
87
,
4130
(
2000
).
5.
M.
Wuttig
and
N.
Yamada
,
Nature Mater.
6
,
824
(
2007
).
6.
T. C.
Chong
,
L. P.
Shi
,
X. Q.
Wei
,
R.
Zhao
,
H. K.
Lee
,
P.
Yang
, and
A. Y.
Du
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
136101
(
2008
).
7.
D.
Wamwangi
,
W. K.
Njoroge
, and
M.
Wuttig
,
Thin Solid Films
408
,
310
(
2002
).
8.
D. -S.
Suh
,
E.
Lee
,
K. H. P.
Kim
,
J. -S.
Noh
,
W. -C.
Shin
,
Y. -S.
Kang
,
C.
Kim
,
Y.
Khang
,
H. R.
Yoon
, and
W.
Jo
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
023101
(
2007
).
9.
W. -D.
Song
,
L. -P.
Shi
,
X. -S.
Miao
, and
C. -T.
Chong
,
Adv. Mater.
20
,
2394
(
2008
).
10.
V.
Weidenhof
,
I.
Friedrich
,
S.
Ziegler
, and
M.
Wuttig
,
J. Appl. Phys.
86
,
5879
(
1999
).
11.
B. J.
Kooi
,
W. M. G.
Groot
, and
J. T. M.
De Hosson
,
J. Appl. Phys.
95
,
924
(
2004
).
12.
T.
Matsunaga
and
N.
Yamada
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
43
,
4704
(
2004
).
13.
W. J.
Wang
,
R.
Zhao
,
L. P.
Shi
,
X. S.
Miao
,
P. K.
Tan
,
M. H.
Hong
,
T. C.
Chong
,
Y. H.
Wu
, and
Y.
Lin
,
J. Appl. Phys.
98
,
124313
(
2005
).
14.
W.
Braun
,
R.
Shayduk
,
T.
Flissikowski
,
M.
Ramsteiner
,
H. T.
Grahn
,
H.
Riechert
,
P.
Fons
, and
A.
Kolobov
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
041902
(
2009
).
15.
X. S.
Miao
,
T. C.
Chong
,
Y. M.
Huang
,
K. G.
Lim
,
P. K.
Tan
, and
L. P.
Shi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
38
,
1638
(
1999
).
16.
T.
Kato
and
K.
Tanaka
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
7340
(
2005
).
17.
B. -S.
Lee
,
J. R.
Abelson
,
S. G.
Bishop
,
D. -H.
Kang
,
B. -K.
Cheong
, and
K. -B.
Kim
,
J. Appl. Phys.
97
,
093509
(
2005
).
18.
J. K.
Olson
,
H.
Li
,
T.
Ju
,
J. M.
Viner
, and
P. C.
Taylor
,
J. Appl. Phys.
99
,
103508
(
2006
).
19.
W.
Welnic
,
S.
Botti
,
L.
Reining
, and
M.
Wuttig
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
236403
(
2007
).
20.
J. -W.
Park
,
S. H.
Back
,
T. D.
Kang
,
H.
Lee
,
Y. -S.
Kang
,
T. -Y.
Lee
,
D. -S.
Suh
,
K. J.
Kim
,
C. K.
Kim
,
Y. H.
Khang
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
93
,
021914
(
2008
).
21.
K.
Shportko
,
S.
Kremers
,
M.
Woda
,
D.
Lencer
,
J.
Robertson
, and
M.
Wuttig
,
Nature Mater.
7
,
653
(
2008
).
22.
J. -W.
Park
,
S. H.
Eom
,
H.
Lee
,
J. L. F.
Da Silva
,
Y. -S.
Kang
,
T. -Y.
Lee
, and
Y. H.
Khang
,
Phys. Rev. B
80
,
115209
(
2009
).
23.
K. A.
Agaev
and
A. G.
Talybov
,
Sov. Phys. Crystallogr.
11
,
400
(
1966
).
24.
I. I.
Petrov
,
R. M.
Imamov
, and
Z. G.
Pinsker
,
Sov. Phys. Crystallogr.
13
,
339
(
1968
).
25.
O. G.
Karpinsky
,
L. E.
Shelimova
,
M. A.
Kretova
, and
J. -P.
Fleurial
,
J. Alloys Compd.
268
,
112
(
1998
).
26.
L. E.
Shelimova
,
O. G.
Karpinskii
,
M. A.
Kretova
,
V. I.
Kosyakov
,
V. A.
Shestakov
,
V. S.
Zemskov
, and
F. A.
Kuznetsov
,
Inorg. Mater.
36
,
768
(
2000
).
27.
B. J.
Kooi
and
T. T. M.
De Hosson
,
J. Appl. Phys.
92
,
3584
(
2002
).
28.
T.
Matsunaga
and
N.
Yamada
,
Phys. Rev. B
69
,
104111
(
2004
).
29.
T.
Matsunaga
,
N.
Yamada
, and
Y.
Kubota
,
Acta Crystallogr. B
60
,
685
(
2004
).
30.
T.
Matsunaga
,
R.
Kojima
,
N.
Yamada
,
K.
Kifune
,
Y.
Kubota
, and
M.
Takata
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
161919
(
2007
).
31.
T.
Matsunaga
,
H.
Morita
,
R.
Kojima
,
N.
Yamada
,
K.
Kifune
,
Y.
Kubota
,
Y.
Tabata
,
J. -J.
Kim
,
M.
Kobata
,
E.
Ikenaga
 et al.,
J. Appl. Phys.
103
,
093511
(
2008
).
32.
J. L. F.
Da Silva
,
A.
Walsh
, and
H.
Lee
,
Phys. Rev. B
78
,
224111
(
2008
).
33.
T.
Nonaka
,
G.
Ohbayashi
,
Y.
Toriumi
,
Y.
Mori
, and
H.
Hashimoto
,
Thin Solid Films
370
,
258
(
2000
).
34.
N.
Yamada
and
T.
Matsunaga
,
J. Appl. Phys.
88
,
7020
(
2000
).
35.
T.
Matsunaga
and
N.
Yamada
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
41
,
1674
(
2002
).
36.
W. K.
Njoroge
,
H. -W.
Wöltgens
, and
M.
Wuttig
,
J. Vac. Sci. Technol. A
20
,
230
(
2002
).
37.
A. V.
Kolobov
,
P.
Fons
,
J.
Tominaga
,
A. I.
Frenkel
,
A. L.
Ankudinov
,
S. N.
Yannopoulos
,
K. S.
Andrikopoulos
, and
T.
Uruga
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
3345
(
2005
).
38.
Y. J.
Park
,
J. Y.
Lee
,
M. S.
Youm
,
Y. T.
Kim
, and
H. S.
Lee
,
J. Appl. Phys.
97
,
093506
(
2005
).
39.
J. -H.
Eom
,
Y. -G.
Yoon
,
C.
Park
,
H.
Lee
,
J.
Im
,
D. -S.
Suh
,
J. -S.
Noh
,
Y.
Khang
, and
J.
Ihm
,
Phys. Rev. B
73
,
214202
(
2006
).
40.
Z.
Sun
,
J.
Zhou
, and
R.
Ahuja
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
055507
(
2006
).
41.
W.
Welnic
,
A.
Pamungkas
,
R.
Detemple
,
C.
Steimer
,
S.
Blügel
, and
M.
Wuttig
,
Nature Mater.
5
,
56
(
2006
).
42.
J.
Akola
and
R. O.
Jones
,
Phys. Rev. B
76
,
235201
(
2007
).
43.
Z.
Sun
,
S.
Kyrsta
,
D.
Music
,
R.
Ahuja
, and
J. M.
Schneider
,
Solid State Commun.
143
,
240
(
2007
).
44.
M.
Wuttig
,
D.
Lüsebrink
,
D.
Wamwangi
,
W.
Welnic
,
M.
Gillessen
, and
R.
Dronskowski
,
Nature Mater.
6
,
122
(
2007
).
45.
J.
Yu
,
Z.
Song
,
B.
Liu
,
S.
Feng
, and
B.
Chen
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
46
,
4215
(
2007
).
46.
J.
Akola
and
R. O.
Jones
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
465103
(
2008
).
47.
J.
Im
,
J. -H.
Eom
,
C.
Park
,
K.
Park
,
D. -S.
Suh
,
K.
Kim
,
Y. -S.
Kang
,
C.
Kim
,
T. -Y.
Lee
,
Y.
Khang
 et al.,
Phys. Rev. B
78
,
205205
(
2008
).
48.
M. -C.
Jung
,
K. -H.
Kim
,
Y. -M.
Lee
,
J. -H.
Eom
,
J.
Im
,
Y. -G.
Yoon
,
J.
Ihm
,
S. A.
Song
,
H. -S.
Jeong
, and
H. -J.
Shin
,
J. Appl. Phys.
104
,
074911
(
2008
).
49.
G.
Lee
and
S. -H.
Jhi
,
Phys. Rev. B
77
,
153201
(
2008
).
50.
J.
Hegedüs
and
S. R.
Elliott
,
Nature Mater.
7
,
399
(
2008
).
51.
T.
Chattopadhyay
,
J. X.
Boucherle
, and
H. G.
von Schnering
,
J. Phys. C
20
,
1431
(
1987
).
52.
A. V.
Kolobov
,
J.
Tominaga
,
P.
Fons
, and
T.
Uruga
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
382
(
2003
).
53.
M.
Först
,
T.
Dekorsy
,
C.
Trappe
,
M.
Laurenzis
,
H.
Kurz
, and
B.
Béchevet
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
1964
(
2000
).
54.
A. V.
Kolobov
,
P.
Fons
,
A. I.
Frenkel
,
A. L.
Ankudinov
,
J.
Tominaga
, and
T.
Uruga
,
Nature Mater.
3
,
703
(
2004
).
55.
D. A.
Baker
,
M. A.
Paesler
,
G.
Lucovsky
,
S. C.
Agarwal
, and
P. C.
Taylor
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
255501
(
2006
).
56.
S.
Caravati
,
M.
Bernasconi
,
T. D.
Kühne
,
M.
Krack
, and
M.
Parrinello
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
171906
(
2007
).
57.
Z.
Sun
,
J.
Zhou
, and
R.
Ahuja
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
055505
(
2007
).
58.
D.
Ielmini
,
S.
Lavizzari
,
D.
Sharma
, and
A. L.
Lacaita
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
193511
(
2008
).
59.
P.
Jóvári
,
I.
Kaban
,
J.
Steiner
,
B.
Beuneu
,
A.
Schöps
, and
M. A.
Webb
,
Phys. Rev. B
77
,
035202
(
2008
).
60.
Z.
Sun
,
J.
Zhou
,
A.
Blomqvist
,
B.
Johansson
, and
R.
Ahuja
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
075504
(
2009
).
61.
K. S.
Andrikopoulos
,
S. N.
Yannopoulos
,
G. A.
Voyiatzis
,
A. V.
Kolobov
,
M.
Ribes
, and
J.
Tominaga
,
J. Phys.: Condens. Matter
18
,
965
(
2006
).
62.
T. P. L.
Pedersen
,
J.
Kalb
,
W.
Njoroge
,
D.
Wamwangi
, and
M.
Wuttig
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
3597
(
2001
).
63.
J.
Kalb
,
F.
Spaepen
, and
M.
Wuttig
,
J. Appl. Phys.
93
,
2389
(
2003
).
64.
D.
Lee
,
S. S.
Lee
,
W.
Kim
,
C.
Hwang
,
M. B.
Hossain
,
N. L.
Hung
,
H.
Kim
,
C. G.
Kim
,
H.
Lee
,
H. N.
Hwang
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
91
,
251901
(
2007
).
65.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
66.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
67.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
68.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
69.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
70.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
48
,
13115
(
1993
).
71.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
72.
M.
Fuchs
,
J. L. F.
Da Silva
,
C.
Stampfl
,
J.
Neugebauer
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. B
65
,
245212
(
2002
).
73.
J. L. F.
Da Silva
,
C.
Stampfl
, and
M.
Scheffler
,
Surf. Sci.
600
,
703
(
2006
).
74.
J. K.
Burdett
and
S.
Lee
,
J. Am. Chem. Soc.
105
,
1079
(
1983
).
75.
J. -P.
Gaspard
,
F.
Marinelli
, and
A.
Pellegatti
,
Europhys. Lett.
3
,
1095
(
1987
).
76.
J.
Akola
and
R. O.
Jones
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
205502
(
2008
).
77.
J. L. F.
Da Silva
,
S. -H.
Wei
,
J.
Zhou
, and
X.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
091902
(
2007
).
78.
J. L. F.
Da Silva
,
M. V.
Ganduglia-Pirovano
,
J.
Sauer
,
V.
Bayer
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
75
,
045121
(
2007
).
79.
A. V.
Kolobov
,
J.
Haines
,
A.
Pradel
,
M.
Ribes
,
P.
Fons
,
J.
Tominaga
,
Y.
Katayama
,
T.
Hammouda
, and
T.
Uruga
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
035701
(
2006
).
You do not currently have access to this content.