伴隨著信息化時代的來臨,人類數據量的暴增和計算機技術的迅猛發(fā)展對信息存儲器的容量和速度提出了更高的要求�；谙嘧儾牧系南嘧兇鎯ζ�(PCM)被認為是解決這一需求的有效方案。作為相變材料中性能優(yōu)異的一員,Ge-Sb-Te超晶格材料(GST-SL)不僅可以提高PCM的速度和功耗,而且具備拓撲絕緣等特殊性質�？蒲腥藛T對GST-SL材料的結構及性質開展了大量研究工作,但關于GST-SL的相變機制還未形成統(tǒng)一理論�；诖�,本文采用實驗和模擬相結合的方法開展了相關研究。首先,采用脈沖激光誘導非晶GST-SL薄膜晶化,進行工藝篩選并表征薄膜結晶前后的結構和光學性能變化;然后,通過有限元模擬和分子動力學分別探究GST-SL在納秒激光輻照下的溫度場變化和結晶動力學行為;最后,基于實驗和模擬結果,探討GST-SL的超快相變機制。首先,采用皮秒脈沖激光誘導非晶GST-SL薄膜晶化,通過觀察薄膜的光學形貌變化,最終發(fā)現亞層厚度為4納米的GST-SL薄膜結晶質量最好且結晶閾值低于普通Ge_2Sb_2Te_5(GST)薄膜;TEM測試結果表明,在皮秒脈沖激光輻照下,GST-SL的晶粒比GST更細,并且GST-SL結構的穩(wěn)定性更強;通過XRD測試發(fā)現:GST-SL在納秒激光輻照下結晶閾值比GST低57%;拉曼測試表明,較多的GeTe_4結構可能是GST-SL相變性能提升的原因;光譜測試結果表明,晶態(tài)GST-SL薄膜的光學性能優(yōu)于GST。通過有限元方法模擬相變薄膜在納秒激光輻照下的溫度場變化,獲得了不同能量密度對應的溫度-時間曲線,GST-SL和GST的結晶閾值分別對應700 K和1200 K;采用分子動力學模擬了GST-SL和GST原子模型的升溫過程,GST-SL展現出了更好的層結構穩(wěn)定性,且于1400 K左右結構變化較大;隨后在非晶化模擬中發(fā)現:三個GST-SL模型均出現Sb原子跳入Te-Te層的現象,且Kooi-mix模型的層結構最穩(wěn)定;而在結晶模擬中發(fā)現Kooi-mix和Petrov-mix模型均可以在幾個皮秒內回到初始晶態(tài)位置,而GST模型的結晶時間在150皮秒以上;最后,綜合以上模擬結果推測:GST-SL中穩(wěn)定的層結構是其相變性能提升的原因,而Sb原子在Te-Te層的跳躍行為是揭開GST-SL相變機制的關鍵。本文通過實驗和模擬探究了GST-SL的結晶特性,闡明了GST-SL薄膜結構的優(yōu)越性,發(fā)現了GST-SL原子模型中的Sb原子跳躍行為,這對探究相變材料的機制和優(yōu)化相變存儲器具有重要的指導意義。
【學位單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;TN249
【部分圖文】：

人們對高清多媒體的需求量越來越大，4K、8K 電視（圖1.1.a 所示）正在走入人們的生活中。一部超清電影大小可達 10 G 左右，有的甚至幾十 G。而一部手機的存儲一般都在幾十 G 左右，因此當下的存儲技術的已經無法滿足當下的需求。當下處于互聯(lián)網浪尖的人工智能技術其實也是建立在大數據技術基礎之上的（圖 1.1.b 所示），因此信息存儲技術是人工智能的發(fā)展的一個重要部分。此外，即將商業(yè)化的 5G 網絡和未來的量子計算機技術（圖 1.1.c），都對存儲器的容量大小和傳輸速度提出了更高的要求。因此開發(fā)更高存儲密度和更快傳輸速度的存儲器的任務顯得十分緊迫。圖 1.1 信息存儲相關技術:（a）高清電視 （b）人工智能 （c）量子計算機Fig. 1-1 Information storage related technology (a) High-Definition TV, (b) artificialintelligence, (c) quantum computer1.2 相變材料及其特性

環(huán)性 >1016105>1013>10121012多階次 否 否 是 否 是1.2.2 相變材料相變材料是以鍺（Ge)、銻（Sb）、碲（Te）為組元的一系列合金半導體(圖1.2.a)，其電致可逆相變特性于 1968 年被科學家 Ovshinsky[8]發(fā)現。而后相變材料的光致相變特性也逐步發(fā)現[9]并應用于光存儲器件[10]，光存儲器的發(fā)明大大降低了信息存儲的成本并進一步推動了多媒體的廣泛傳播。在所有的相變材料中，處于 GeTe-Sb2Te3偽二元線上的材料是性能最好也是研究最多的系列[11]。而Ge2Sb2Te5（GST）是偽二元線上的典型代表，也是相變速度最快的一員[12]。GST結構晶體結構如圖 1.2.b 所示：晶體結構的整體為巖鹽結構，其中 Te 占據陽離子位置，Sb、Ge、空位分別以 2:2:1 的比例占據陰離子位置[13]。Ge-Sb-Te 相變材料存儲信息和原理如圖 1.2.c 所示：晶態(tài)和非晶態(tài)分別在強短脈沖和弱長脈沖（電

提出了新型的集成化全光存儲器（圖1.3.c 所示)，并成功實現了低功耗的多階全光存儲[17]。在結合 GST 的光電性能方面，Gerardo 等人[18]采用 GST 相變開發(fā)出了一種微納光-電耦合器件（圖 1.3.d 所示）。另外，GST 材料在紅外傳感器[19]、太赫茲探測器[20]甚至新型全光 CPU 開發(fā)[21]等方面的都具有廣泛的應用。

【參考文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 童浩;超晶格相變材料研究[D];華中科技大學;2012年

本文編號：2828645