【摘要】：電子信息技術(shù)的高速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)生活的全面普及將人類社會推進(jìn)到大數(shù)據(jù)時(shí)代,海量復(fù)雜信息的存儲、傳遞、處理需求使得電子信息的載體——電子存儲器——的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn),人們對高密度、高速度、低功耗的非易失性存儲器的需求日漸急迫。另一方面,人工智能技術(shù)的發(fā)展和突破受到全社會的關(guān)注,被認(rèn)為是未來科技發(fā)展的核心方向。不論是大數(shù)據(jù)的分析處理還是人工智能的優(yōu)化設(shè)計(jì),都對處理器和存儲器性能提出了新的要求,例如突破馮·諾依曼瓶頸。一種典型的非馮·諾依曼架構(gòu)是計(jì)算-存儲一體化,需要能夠滿足這種功能的新型存儲器做硬件。因此,電子存儲技術(shù)是應(yīng)對當(dāng)前大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵,也將是未來信息科技發(fā)展中的核心技術(shù)之一。相變存儲器作為新興的非易失性存儲技術(shù)之一,具備同時(shí)替代高速內(nèi)存和非易失性閃存而成為通用型存儲的可能,更是在非馮諾依曼計(jì)算領(lǐng)域展現(xiàn)出出色的潛力,是未來應(yīng)用于大數(shù)據(jù)和人工智能領(lǐng)域的候選技術(shù)中的有力競爭者。相變存儲技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,工藝和設(shè)計(jì)日漸成熟,基于相變存儲的內(nèi)存和大容量存儲展現(xiàn)出優(yōu)良的性能并已經(jīng)開始商業(yè)化。然而,盡管相變存儲的性能已經(jīng)滿足部分應(yīng)用要求,但是仍然有不足之處,例如功耗較高、高溫?cái)?shù)據(jù)保持力較差、循環(huán)性不夠高,在存儲速度、存儲密度和多級存儲精確控制方面也還有進(jìn)步的空間。阻礙器件、材料性能進(jìn)一步提升的一個(gè)重要原因在于對材料相變的基礎(chǔ)理解不夠。因此,解決以上問題的一個(gè)關(guān)鍵是理解材料的超快相變微觀機(jī)制。本文用基于密度泛函理論和含時(shí)密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,從材料本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和材料對外場的響應(yīng)兩個(gè)方面展開研究。在材料本身結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面,分別研究并對比了傳統(tǒng)相變存儲半導(dǎo)體鍺銻碲和新型相變存儲半導(dǎo)體鍺銻碲超晶格的微觀結(jié)構(gòu)、電子成鍵、光電性質(zhì)和相變動(dòng)力學(xué)。在材料對外場響應(yīng)方面,依次研究了傳統(tǒng)熱效應(yīng)下的相變機(jī)理、熱效應(yīng)+電子激發(fā)效應(yīng)對材料相變的影響和熱效應(yīng)+電子激發(fā)效應(yīng)+含時(shí)電子-聲子耦合效應(yīng)下的相變動(dòng)力學(xué)。本文共得出以下四個(gè)創(chuàng)新結(jié)果:1.傳統(tǒng)相變材料鍺銻碲非晶態(tài)中的強(qiáng)電子極化結(jié)構(gòu)基元。由于結(jié)構(gòu)和成鍵特性復(fù)雜而又缺乏有效的研究手段,鍺銻碲非晶態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)仍不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)中有很多的線性原子鏈結(jié)構(gòu)片段,超過60%的原子參與形成這種鏈,這些鏈中的電子具有較強(qiáng)的電子極化性質(zhì)。與之前報(bào)道中的四面體和金字塔型微結(jié)構(gòu)相比,這種原子鏈結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建立了微觀結(jié)構(gòu)-光電性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián),可能成為精確調(diào)控材料光電性質(zhì)和材料相變行為的關(guān)鍵媒介,此結(jié)論可為多級存儲的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。2.新型相變材料GeTe/Sb_2Te_3超晶格中由層錯(cuò)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變�；贕eTe/Sb_2Te_3超晶格的器件展現(xiàn)出超低功耗的性能,但背后的相變機(jī)制卻不清楚,仍在劇烈的爭論中。研究發(fā)現(xiàn),材料被van der Waals空位層分隔成許多的區(qū)塊,在材料整體化學(xué)計(jì)量比不變的前提下,破壞區(qū)塊中的局部化學(xué)計(jì)量比可以導(dǎo)致材料金屬化,據(jù)此提出了利用局部化學(xué)計(jì)量比調(diào)控材料電學(xué)性質(zhì)的機(jī)制。這種局部化學(xué)計(jì)量比的破壞可以通過超晶格中常見的層錯(cuò)缺陷的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn),進(jìn)一步研究證實(shí)了層錯(cuò)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變。這種性質(zhì)轉(zhuǎn)變不需要經(jīng)過傳統(tǒng)的熔化過程,可能是超晶格材料低功耗的原因之一,本研究為調(diào)控超晶格材料的性質(zhì)提供了新的思路。3.超快激光在材料中誘導(dǎo)的力學(xué)效應(yīng)。有理論及實(shí)驗(yàn)指出,超快激光對材料的作用除了傳統(tǒng)的熱效應(yīng)之外,還有電子激發(fā)誘導(dǎo)的非熱效應(yīng),也可以誘導(dǎo)相變,但是激光的非熱效應(yīng)和材料的作用機(jī)制還不夠清楚。本研究通過理論計(jì)算方法研究了超快激光在材料中誘導(dǎo)的力學(xué)效應(yīng):量子應(yīng)力和原子受力。研究發(fā)現(xiàn)電子-空穴等離子體激發(fā)可以在材料中誘導(dǎo)出可觀的應(yīng)力,應(yīng)力的大小正比于激發(fā)量和材料的有效形變勢,應(yīng)力的主要效果是導(dǎo)致材料膨脹,特別是在超硬材料中可能導(dǎo)致超大膨脹。另一方面,激發(fā)誘導(dǎo)的原子受力具有元素選擇性和晶格對稱性依賴。在晶態(tài)鍺銻碲中由于結(jié)構(gòu)扭曲和空位的存在,原子受力方向無序,是誘導(dǎo)固態(tài)非晶化的直接原因。這種固態(tài)非晶化對于存儲來說速度更快、循環(huán)性更好。最后,利用此原理,提出了可能的新型加工方案,即冷晶格加工方案設(shè)計(jì)和材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的新型激光加工方式。4.超快激光在相變存儲母體材料鍺碲合金中誘導(dǎo)的菱方-立方相變。超快激光誘導(dǎo)的有序-有序相變是一種較少見的新型超快相變,與傳統(tǒng)的非晶化相比,晶體到晶體的相變意味著更加精細(xì)的材料結(jié)構(gòu)調(diào)控,但是其超快時(shí)間尺度內(nèi)的微觀原理仍有爭議。本研究對激光場的處理更進(jìn)一步,包含了非絕熱的電子-聲子耦合作用,用先進(jìn)的激發(fā)態(tài)理論研究方法——含時(shí)密度泛函理論計(jì)算,研究了超快激光在典型相變材料鍺碲中誘導(dǎo)的菱方-立方相變。研究發(fā)現(xiàn),5%激發(fā)量的電子-空穴等離子體激發(fā)可以促使鍺碲在1ps內(nèi)發(fā)生從菱方到立方的相變。相變的根本物理原因是激發(fā)誘導(dǎo)的勢能面的變化,直接的驅(qū)動(dòng)力是依賴于晶格對稱性的、有方向的、相干的原子受力,這種力驅(qū)動(dòng)原從菱方格點(diǎn)向立方格點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)是整體且無原子擴(kuò)散的,不經(jīng)過傳統(tǒng)的形核-生長過程。如果能實(shí)現(xiàn)這種相變在存儲方面的應(yīng)用,速度和循環(huán)性將會有大幅提升。另外,進(jìn)一步的分析證實(shí)這種相變是非熱相變,為超快激光非熱效應(yīng)的應(yīng)用提供了理論支撐。綜上,本文通過第一性原理理論計(jì)算方法,對比研究了傳統(tǒng)和新型相變存儲材料的微觀結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和相變機(jī)制,并探索了不同層次的外場效應(yīng)對材料相變的影響。本文研究結(jié)果給出了相變存儲材料原子尺度結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)信息以及超短時(shí)間內(nèi)的相變動(dòng)力學(xué)機(jī)制。根據(jù)得到的信息和機(jī)制,有望更精細(xì)地調(diào)控材料的光電性質(zhì)甚至設(shè)計(jì)新的利用超快激光控制材料相變的方案。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O472
【圖文】：

全球數(shù)據(jù)增長趨勢

數(shù)據(jù)存儲技術(shù)分類及對比

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 顧遠(yuǎn);;我的教育“第一性原理”主張[J];內(nèi)蒙古教育;2017年17期

2 王浩軒;;共享養(yǎng)老模式的研究——基于第一性原理的商業(yè)模式分析法[J];時(shí)代金融;2018年26期

3 ;“第一性原理”幫助馬斯克不斷成功?[J];中國機(jī)電工業(yè);2018年03期

4 苗慶顯;;營銷第一性原理,顛覆你的認(rèn)知[J];銷售與市場(管理版);2018年03期

5 黃曉杰;;黃曉杰:讓營銷追著客戶跑[J];名人傳記(財(cái)富人物);2017年09期

6 王金華;李澤朋;;第一性原理方法研究小芳香烴分子的基態(tài)性質(zhì)[J];中國科技信息;2014年09期

7 饒鳳雅;王志強(qiáng);徐波;陳立泉;歐陽楚英;;氟化石墨嵌鋰和嵌鈉行為的第一性原理研究[J];Engineering;2015年02期

8 王欣欣;張穎;周洪波;王金龍;;鈮對鎢中氦行為影響的第一性原理研究[J];物理學(xué)報(bào);2014年04期

9 金碩;孫璐;;帶有碳雜質(zhì)的鎢中氫穩(wěn)定性的第一性原理研究[J];物理學(xué)報(bào);2012年04期

10 王晶;;論馬克思的物質(zhì)第一性原理[J];赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(漢文哲學(xué)社會科學(xué)版);2010年02期

相關(guān)會議論文 前10條

1 徐春紅;包括;馬帥領(lǐng);魏書麗;馬艷斌;邵子霽;肖學(xué)會;馮小康;崔田;;二硼化錳的相變和物理性質(zhì)的第一性原理研究[A];第十四屆全國物理力學(xué)學(xué)術(shù)會議縮編文集[C];2016年

2 晏艷霞;朱宏志;李鳳云;楊金水;蘇永軍;;氫和氦在LaNi_5中行為的第一性原理研究[A];第二屆中國氚科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2017年

3 王寧;孫飛;廖敦明;張博;嚴(yán)有為;;α-Al_2O_3/Ti_2O_3界面氫擴(kuò)散機(jī)理的第一性原理研究[A];第二屆中國氚科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2017年

4 孫浩然;;Nb中H的擴(kuò)散性質(zhì)的第一性原理研究[A];第二屆中國氚科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2017年

5 蔣鴻;;針對稀土材料的第一性原理方法探索[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第八分會：稀土材料化學(xué)及應(yīng)用[C];2016年

6 張永輝;張美玲;韓莉鋒;李峰;;第一性原理研究乙醇在氧化鋅上的吸附[A];中國化學(xué)會第29屆學(xué)術(shù)年會摘要集——第15分會：理論化學(xué)方法和應(yīng)用[C];2014年

7 陳基;李新征;王恩哥;;基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的路徑積分分子動(dòng)力學(xué):方法與應(yīng)用[A];第七屆全國青年計(jì)算物理學(xué)術(shù)會議論文集[C];2013年

8 魏書麗;李達(dá);崔田;;過渡金屬釩硼化合物和鉭硼化合物的第一性原理研究[A];第十四屆全國物理力學(xué)學(xué)術(shù)會議縮編文集[C];2016年

9 張平;楊宇;孫博;趙憲庚;;钚氧化物特性的第一性原理研究進(jìn)展[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)(2012年版)[C];2012年

10 姜曉庶;Walter R．L．Lambrecht;;半導(dǎo)體非線性光學(xué)材料的第一性原理研究[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（1）[C];2007年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 本報(bào)記者 李陽丹;埃隆·馬斯克 顛覆的不只是汽車[N];中國證券報(bào);2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 顧躍強(qiáng);外爾半金屬YCoC_2的第一性原理研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2018年

2 李珍珍;新型三維碳結(jié)構(gòu)的第一性原理研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2018年

3 姚超;第一性原理研究碳酸鹽礦物與含鋁礦物的彈性及其對地幔物質(zhì)循環(huán)的意義[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

4 王W

本文編號：2729231