Acta Mater.：非晶相變記憶Ge-Sb-Te合金中的強電子極化原子鏈

【引言】

相變存儲器（PCM）是利用特殊材料在晶態和非晶態之間相互轉化時所表現出來的導電性差異來存儲數據的存儲裝置，其具備高速、高密度的特點。迄今為止，三元Ge-Sb-Te合金是應用中最受歡迎的PCM材料之一。a-GST（非晶Ge2Sb2Te5）中共價鍵的存在，應該是其結晶相的反射率差異的根本。

【成果簡介】

近日，吉林大學的李賢斌副教授在Acta Mater.上發表了題為“Strong electron-polarized atom chain in amorphous phase-change memory Ge-Sb-Te alloy”的文章。文中描述，通過第一原理計算與電子結構分析，發現在非晶Ge₂Sb₂Te₅中，p軌道對齊的原子鏈在控制光電反射率方面能發揮重要作用。這些原子鏈可使非晶Ge₂Sb₂Te₅的電子態保持強電子極化，從而控制光學性能。

【圖文導讀】

圖1. 由c-GST中心原子置換引起的電子密度分布變化（EDDC）

(a) 圖示是巖鹽結構c-GST（晶態Ge2Sb2Te5）的三維原子結構。兩（001）面被選擇作EDDC分析。紅色對應于b和d中的EDDC。藍色對應于（c）中的EDDC。

(b-d) 如圖表示的EDDC由不同的位移觸發。白色箭頭表示中心原子的位移方向。箭頭的起點代表中心原子。EDDC的正值表示密度的增加，負值表示密度的降低。電荷密度單位為e/ ?3。

圖2. NaCl與c-GST的電子密度差變化（EDDC）比較

圖中箭頭表示中心原子運動的方向。EDDC的正值表示密度的增加，負值表示密度的降低。電荷密度單位為e /?3。

圖3. 非晶GST中原子鏈的電子極化率

(a) 表示a-GST（非晶Ge₂Sb₂Te₅）的3D原子結構。細線表示非晶態網絡，原子鏈由球和粗線突出顯示。

(b) 不同種類的原子鏈的比例。

(c) 不同原子鏈中各原子的百分比。

(d-g) a-GST中原子鏈的EDDC。

圖4.經不同淬滅速率獲得四種非晶GST模型的結構因子

Akola模型，4.3 K/ps；Bernasconi模型，38.3 K/ps；研究的 Sim1和Sim2分別為13.3 K/ps 、 30 K/ps。實驗數據來自參考文獻，并下調0.4的數值用于比較。

圖5. a-GST，a-SST和a-CST模型的比較

(a) 鍵角分布。

(b) 原子鏈分布。

(c) a-GST，a-SST和a-CST模型的相對反射率。

【小結】

研究中，發現大量的3-原子鏈基序存在于a-GST中，通過第一原理計算和電子結構分析，認定3-原子鏈在電子性質方面是a-GST中的重要結構基序，且這些鏈中的電子可以是強極化的，這些特定結構可以引起更高的光學反射率。與傳統的純電子定位共價鍵相比，電子極化特性被證明與非晶PCM材料中的局部鍵合一起存在。實驗研究中使用了一種稱為電子密度分布變化（EDDC）的表征方法，用于定性分析熱電材料中的電子極化。本次研究提供了對PCM材料中 “材料基因”的最新理解，這將有利于材料的設計和存儲器件性能的提高。

文獻鏈接：Strong electron-polarized atom chain in amorphous phase-change memory Ge-Sb-Te alloy?(Acta Mater.,2017;Doi: 10.1016/j.actamat.2017.10.013）

本文由材料人編輯部新人組謝元林編譯，陳炳旭審核。點我加入材料人編輯部。

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