Phy. Rev. Lett.：非晶態Ge-Sb-Te相變材料的局域原子結構形變

【引言】

相變記錄材料現已廣泛應用于商業光盤中，通過十幾納秒超快晶體-非晶結構相變驅動的，而非晶相和晶相的折射率存在差異，以實現記錄和擦除功能。此前，大量的實驗和模擬研究致力于闡明和光學襯比相關的晶體-非晶相之間的快速結構相變，但其中機制仍不清楚。

【成果簡介】

近日，日本東北大學的A. Hirata（通訊作者）在Physical Review Letters上發表最新研究成果“Distortion of Local Atomic Structures in Amorphous Ge-Sb-Te Phase Change Materials”。該工作報道了借助埃束電子衍射分析結合“局域”反蒙特卡洛模擬，直接觀察了非晶Ge₂Sb₂Te₅的局域原子結構。結果證實類巖鹽型晶體拓撲局域結構的存在，和晶體對稱性比較發生了極大的扭曲變形。這一變形導致理想八面體原子環境的破缺，因而形成局域無序結構，基本滿足整體的非晶結構因數。類晶相的變形八面體結構可能是Ge-Sb-Te非晶結構形成的主要結構單元。

【圖文導讀】

圖1：非晶Ge₂Sb₂Te₅薄膜的埃束電子衍射（ABED）圖像。

(a) Ge₂Sb₂Te₅的巖鹽型結構示意圖；

(b)-(d)四重巖鹽[001]型、二重巖鹽[011]型和六重巖鹽[111]型非晶Ge₂Sb₂Te₅的典型埃束電子衍射（ABED）圖像；

(e)沿圓周方向的四重和六重花樣的強度分布；

(f)一般電子衍射得到的總強度和僅含巖鹽型ABED花樣的累計強度。

圖2：ABED實驗的局域反蒙特卡洛（RMC）模擬。

(a)局域RMC模擬的示意圖；

(b)對原始巖鹽型結構中四重對稱性進行模擬得到的ABED圖像；

(c)最終模型的模擬ABED圖像；

(d)用于模擬的實驗ABED圖像；

(e)最終模型的變形八面體構型；

(f)根據最終模型得到的接近六重對稱性的模擬ABED圖像；

(g)根據初始巖鹽型模型和最終模型計算得到的結構因子S(Q)圖。

圖3：類巖鹽型結構的ab initio分子動力學模型。

(a)用ab initio分子動力學模擬構建的非晶Ge-Sb-Te模型示意圖；

(b)由<0 6 0 0>八面體的中心原子到六個頂點原子的鍵長分布；

(c-e)沿[001]-、[011]-、[111]-方向的巖鹽型局域結構圖像。

【小結】

總的來說，對非晶薄膜的ABED分析獲得亞納米尺度的局域結構信息。局域原子結構具有類巖鹽型八面體構型，可通過局域RMC模擬對實驗數據處理得到。與常規的RMC步驟不同，模擬是基于局域ABED數據的首先納米尺度空間確定的。同時，作者發現類巖鹽型局域結構對從寬區域獲得的總強度做了主要貢獻。此外，具有八面體構型的類巖鹽型拓撲結構受到嚴重變形，晶體中理想八面體的高對稱性破缺。換句話說，非晶拓撲相的局域原子結構與晶相類似，但在變形程度在有顯著不同。對稱破缺可能和化學鍵本征變化緊密相關，因此，導致了晶相和非晶相的大光學襯比。這項技術或將有助于描述非晶相變材料的光學性質與局域變形之間的關聯。

文獻鏈接：Distortion of Local Atomic Structures in Amorphous Ge-Sb-Te Phase Change Materials（Phy. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.205502）

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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