相变存储合金锗锑碲激发力学及锗铜碲非晶稳定机制的第一性原理研究

【摘要】相变存储器被认为是最有可能取代目前的SRAM、DRAM、FLASH等产品的下一代非易失性存储器之一[1]。该器件依赖于一种相变存储材料。相变存储技术已被广泛研究并商用。但是，目前在相变存储领域仍存在许多问题，例如由于非晶性稳定不好而不能应用于高温环境，由于晶化速度慢而限制了相变存储速度，由于易分相而影响循环性等[2,3]。而目前对相变存储微观机理研究的不完善阻碍了材料性能、器件性能的进一步优化，例如，一般相变存储的机制被认为是激光或电脉冲作用导致的热作用使其相变，但是，有研究表明在电子激发作用下可能存在与非热效应相关的固体相变[4-7]，这种固态相变对进一步提高相变速度和增加其相稳定性都是有重要意义的。因此，本文我们主要研究电子激发对相变材料相变的影响并探索提高相变材料非晶稳定性的微观机理，以期为提高相变存储速度、增加循环次数及提高数据保持力等器件性能优化作参考。我们用第一性原理计算方法研究了电子激发对Ge2Sb2Te5的影响。电子激发会诱导材料内部产生激发应力，空穴激发的应力会使材料收缩，电子效应则使材料膨胀。单纯的空穴效应激发应力使Ge2Sb2Te5发生类似静水压作用下的结构相变[8-10]，但是激发效应会使材料软化，即体变模量减小，从而使激发应力的压缩效率比静水压高很多。另外，40GPa空穴效应激发应力作用下产生的体心立方结构在退激发后获得静水压研究未报道过的新相。当电子空穴在体系中共存时，激发应力大幅抵消，但是内部原子受力不会抵消，且仍然可以使Ge2Sb2Te5发生非晶化。经研究，激发产生的原子受力会受到材料结构对称性的调制，对称性越差，激发导致的原子受力越大。电子激发或可用于提高非晶化效率或生成新相。另外，我们也研究了相变存储材料Ge1Cu2Te3非晶热稳定性物理起源。发现晶态Ge1Cu2Te3具有特别的成键特性：含有不等性sp3杂化及进一步由Te提供孤对电子、Cu提供空轨道而形成的配位键，铜的d电子不参与成键。非晶Ge1Cu2Te3的结构与晶态差异巨大，铜原子诱导形成三角形结构并最终聚集成笼子一样的密集结构。两相结构差异会使相变势垒较高从而增加非晶稳定性。进一步的电子结构研究将这种结构的重构归结于一种成键特性的重构。其中，Te原子的孤对电子可以调控Cu原子的d电子是否参与成键。以上物理机制或可作为研究设计其他基于Te并有过渡金属参与的相变存储合金的参考。
【作者】陈念科；
【导师】孙洪波；李贤斌；
【作者基本信息】吉林大学，物理电子学，2014，硕士
【关键词】第一性原理；相变存储；激发力学；非晶稳定性；电子结构；

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