吉林大學Acta Mater.：空位有序GeSbTe合金的特定元素非晶化用于三態相變存儲器

【引言】

GeSbTe合金能夠在非晶相和晶相之間快速轉化，因此它可用在非易失性相變存儲器中。不同相的電學性質（電阻率）和光學性質（反射率）都存在著明顯的差異。而相變可以由高溫，激光或電脈沖等引起。在所有的硫族化物中，Ge₂Sb₂Te₅（GST）是研究最廣泛的相變材料。GST具有許多優異的相變特性，如轉變速率快、數據存儲能力好和循環次數多。GST等相變材料的轉變機制以及新應用已經成為材料領域研究的一個熱點。

【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“Element-Specific Amorphization of Vacancy-Ordered GeSbTe for Ternary-State Phase Change Memory”的文章。在這篇文章中，作者使用第一性原理分子動力學模擬的方法，研究空位有序GST（VOC GST）的非晶形成過程及其應用。研究發現VOC GST表現出準二維非晶化過程，這由Ge原子的擴散引發的而非其它原子。并獲得部分非晶相（P-amor），它是處于晶態和非晶態之間的一種狀態，可用于三態數據存儲。

【圖文導讀】

圖一：VOC GST中兩熔融淬火過程的溫度演化及最終RESET結構

在P1 RESET結構中紅色遮蔽區域是P-amor相的非晶態部分。其中，綠色為Ge、紫色為Sb、橙色為Te。

圖二：Ge首先擴散到空位層時，熔融開始階段的結構變化

(a-d) 不同熔融時間（(a) 2.25ps, (b) 2.7ps, (c) 3.12ps, (d) 3.39ps）的結構變化。突出顯示兩個Ge原子（擴散到空位有序層中的Ge1和Ge2）及其周圍的Te原子。原子顏色表示的含義與圖1相同。

(e) 在熔融過程中，Ge（綠色）、Sb（紫色）和Te（橙色）的X分數坐標。 0.5和0.6之間的坐標是指原始空位層。

(f) 進入空位層的Ge原子（紅線）和另一Ge原子（藍線）的平均鍵角分布（熔融時間在4.5ps和6ps之間）。

圖三：純非晶相、P-amor相的非晶部分和在300K下進一步退火300ps 的P-amor相的非晶部分的鍵幾何結構和空位分布 ?

(a) 不同配位數的Ge的局部順序參數(q)。垂直虛線表示標準八面體（Oct）和四面體（Tetr）鍵環境中的q。深灰色區域與四面體鍵密切相關。

(b) 三種相空位的空間分布（由電荷密度圖中的0.0015a.u.的低密度等值線表示，灰色區域）。

圖四：P-amor GST的電學性能

(a) 在P-amor相及進一步退火300ps的P-amor相中的高度局部化電子（黃色點）的空間分布。

(b) P-amor相狀態密度。

(c) VOC、純非晶（Amor）、P-amor相和進一步退火300ps的P-amor相的ε₂。

圖五：晶體(VOC)、非晶和P-amor相之間的轉變方式

利用紅色脈沖來熔化GST，并用藍色脈沖來將GST加熱到高于玻璃化轉變溫度但低于熔點以逆轉該過程。

【小結】

在這篇文章中，作者利用第一原理分子動力學模擬建立了VOC GST的熔融淬火RESET圖像。為了觸發相變，Ge與空位有序層的相鄰空位交換位置。這導致在空位層周圍快速熔化，由此觸發準二維RESET過程，可以利用適當的RESET持續時間來獲得P-amor相位。在其非晶部分中，與純非晶相相比，四面體環境中的Ge較少，但空隙較大。在P-amor相中，高度局部化的電子停留在非晶區域中，而離域電子停留在晶體區域中。因此，其光學和電學性質（如ε₂）在純非晶相和晶相之間。同時，作者還提出了實現VOC、P-amor和純非晶GST三態的可行方法。

文獻鏈接：Element-Specific Amorphization of Vacancy-Ordered GeSbTe for Ternary-State Phase Change Memory（Acta Mater.2017，DOI：10.1016/j.actamat.2017.07.006）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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