相變材料是一種能夠極為快速地發(fā)生可逆的相轉(zhuǎn)變,并經(jīng)由相變時(shí)原子排列的變化展現(xiàn)出巨大光學(xué)/電學(xué)性能差異的材料。相變材料自被發(fā)現(xiàn)以來(lái),受到世界各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視和研究,至今已有許多相變材料實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。硫系化合物非易失性相變材料因其相變前后的原子排列具有記憶性而被用作光盤(pán)的信息存儲(chǔ)介質(zhì)。光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的巨大成功催生了對(duì)相變存儲(chǔ)器的廣泛研究,但直到電子集成技術(shù)成熟,相變存儲(chǔ)器的研究才真正進(jìn)入了高速發(fā)展的階段,它被認(rèn)為有望成為下一代存儲(chǔ)器,目前已開(kāi)始有產(chǎn)品在市銷(xiāo)售。非易失相變材料因其獨(dú)特的性質(zhì)和性能,有著極為重要的意義。隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展和光子計(jì)算機(jī)等概念的提出,集成的全光開(kāi)關(guān)/存儲(chǔ)器作為其基礎(chǔ)器件逐漸開(kāi)始被研究。然而,當(dāng)人們嘗試將相變材料集成于光路中時(shí),卻發(fā)現(xiàn)在最重要的1550 nm光通信波段,現(xiàn)有的相變材料都有著極大的光損耗,這會(huì)嚴(yán)重削弱器件對(duì)相變材料特性的利用,也會(huì)降低集成光芯片的性能。本文意在尋找一種適用于光通信波段的光學(xué)相變材料,使其非晶態(tài)在1550 nm通信波段透明,且在相變前后有足夠大的光學(xué)常數(shù)反差�？紤]到目前研究和使用最廣泛的一種光學(xué)相變材料Ge_2Sb_2Te_5具有快速相變、巨大的光學(xué)反差和穩(wěn)定性高等一系列優(yōu)異的性質(zhì),本文從經(jīng)典的相變材料Ge_2Sb_2Te_5出發(fā),走進(jìn)Ge-Sb-Se-Te體系,研究了其性能和在光器件中的應(yīng)用。論文主要內(nèi)容如下:首先,制備了Ge_2Sb_2Se_xTe_((5-x))(x=0,1,2,3,4,5)系列薄膜,并研究了其結(jié)晶性能和光學(xué)性能。利用X射線衍射技術(shù)對(duì)Ge_2Sb_2Se_xTe_((5-x))在不同溫度下的相演變進(jìn)行了表征,研究了Se的加入對(duì)材料的晶化溫度、非晶穩(wěn)定性的影響。利用橢偏儀技術(shù)研究了Se組分對(duì)材料折射率和消光系數(shù)的影響,并分析了各組分材料在非晶態(tài)、晶態(tài)的光學(xué)性能,及相變前后光學(xué)常數(shù)差異的變化。經(jīng)過(guò)對(duì)材料各方面性能的綜合考量和平衡,認(rèn)為Ge_2Sb_2Se_4Te_1有望成為滿(mǎn)足要求的光學(xué)相變材料。本文利用透射電子顯微鏡進(jìn)行選區(qū)電子衍射測(cè)試,研究了材料的晶相結(jié)構(gòu),認(rèn)為晶態(tài)Ge_2Sb_2Se_4Te_1具有六方結(jié)構(gòu)。之后,本文在波導(dǎo)中進(jìn)一步將Ge_2Sb_2Se_4Te_1在1550 nm波長(zhǎng)處的損耗上限測(cè)定為705 dB/cm,材料消光系數(shù)小于0.002,其光學(xué)相變材料的優(yōu)度值是經(jīng)典相變材料Ge_2Sb_2Te_5的22倍以上。Ge_2Sb_2Se_4Te_1作為首個(gè)在通信波段(非晶態(tài))透明的光學(xué)相變材料被提出。為驗(yàn)證Ge_2Sb_2Se_4Te_1在集成光器件中的實(shí)際效果,本文設(shè)計(jì)和制備了環(huán)形諧振腔式的Ge_2Sb_2Se_4Te_1集成光開(kāi)關(guān),在1550 nm通信波段實(shí)現(xiàn)了41 dB的消光比和0.15 dB的插入損耗,遠(yuǎn)優(yōu)于目前工藝水平下最好的相變材料集成光開(kāi)關(guān)。這證實(shí)了Ge_2Sb_2Se_4Te_1在光器件中低損耗、大對(duì)比率的優(yōu)秀表現(xiàn)和顯著優(yōu)勢(shì)。最后,本文探索了光學(xué)相變材料在非傳統(tǒng)應(yīng)用中的可能。提出了將相變可調(diào)諧寬波段濾光片應(yīng)用于高通量、非機(jī)械掃描式的紅外多光譜成像系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)了基于Ge_2Sb_2Se_4Te_1的可調(diào)諧寬波段濾光片并對(duì)其在短波紅外的工作效果進(jìn)行了前期仿真驗(yàn)證,利用奇異值分解優(yōu)化了傳輸矩陣法計(jì)算的濾光片透過(guò)率矩陣,并分析了系統(tǒng)中的噪聲源對(duì)信號(hào)重建的影響。這不僅提出了進(jìn)一步利用光學(xué)相變材料完全非晶態(tài)和完全晶態(tài)之間的混合狀態(tài)及其寬波段操作特點(diǎn)的潛在可能性,同時(shí)也為去除現(xiàn)有的紅外多光譜成像系統(tǒng)中窄帶濾光片的限制提供了新的思路。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TB34
【部分圖文】：

1 緒 論很容易理解這類(lèi) PCM 的工作機(jī)制。圖 1.1 展示了光盤(pán)的基本結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)的信息信息讀取的原理。在光盤(pán)結(jié)構(gòu)的橫截面中，PCM 層即是信息的記錄媒質(zhì)，基底的金屬層引導(dǎo)反射，而介質(zhì)層起隔離作用，表面覆蓋有保護(hù)層。光盤(pán)所存儲(chǔ)的據(jù)記錄在一圈一圈的信息坑道內(nèi)，這些數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的數(shù)字信息，依靠 PCM 層處于非晶或晶態(tài)的數(shù)據(jù)點(diǎn)區(qū)分。由于非晶態(tài)和晶態(tài)PCM有著巨大的光學(xué)常數(shù)反差而膜系被設(shè)計(jì)為使得非晶態(tài) PCM 處有極低的反射率、晶態(tài) PCM 處有非常高的射率，當(dāng)讀取激光沿著信息軌道掃描，根據(jù)反射率的高低就可以分辨出數(shù)字信的“0”和“1”。PCM 的非晶態(tài)/晶態(tài)光學(xué)常數(shù)差異越大，“0”和“1”區(qū)分得越顯，越不容易產(chǎn)生誤判。

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文：形核-生長(zhǎng)型結(jié)晶和生長(zhǎng)主導(dǎo)型結(jié)晶[13]。形核-生長(zhǎng)型結(jié)晶是先范圍地形成晶核，之后晶核在有限的距離內(nèi)生長(zhǎng)并與其他長(zhǎng)大初始時(shí)材料內(nèi)完全為非晶的 PCM，晶化都這樣從形核開(kāi)始，但的非晶信息點(diǎn)的晶化，多數(shù) PCM 是形核-生長(zhǎng)型(例如 GeTe-Sb2，包括經(jīng)典相變材料 Ge2Sb2Te5)，而有的則是生長(zhǎng)主導(dǎo)型(以長(zhǎng)主導(dǎo)型結(jié)晶會(huì)從非晶與晶體的邊界開(kāi)始，向非晶點(diǎn)內(nèi)行進(jìn)，越小晶化速度越快。而如 Ge2Sb2Te5等的形核-生長(zhǎng)型的結(jié)晶厚度相關(guān)，薄膜越厚結(jié)晶速度越快(一般對(duì)于 20 nm 以下的厚度這是因?yàn)樵胶竦谋∧ば魏烁怕试礁摺＿@是由結(jié)晶機(jī)制不同造成

圖 1.3 PCRAM 的基本結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)原理示意圖 The schematic diagram of the basic structure and working principle of a 表 1.2 PCM 性能與 PCRAM 特性的聯(lián)系.2 The charateristics of PCRAM devices and their corresponding PCM prPCRAM 特性 PCM 性能數(shù)據(jù)誤讀率低 非晶態(tài)/晶態(tài)電阻率比值大RESET 電流小 熔點(diǎn)低SET 速度快 晶化時(shí)間短數(shù)據(jù)保溫壽命長(zhǎng) 非晶態(tài)穩(wěn)定性高循環(huán)壽命長(zhǎng) 環(huán)境耐受性好、相變前后體積變化小盤(pán)在一次寫(xiě)入后往往要保存相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，其 PCM 層的非非晶態(tài)穩(wěn)定性是最受關(guān)注的性能；而與之相比，PCRAM 在高的要求，因此，PCM 在用于 PCRAM 時(shí)，在非晶/晶態(tài)電
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本文編號(hào)：2853043