【摘要】：電子信息技術的高速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)生活的全面普及將人類社會推進到大數(shù)據(jù)時代,海量復雜信息的存儲、傳遞、處理需求使得電子信息的載體——電子存儲器——的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn),人們對高密度、高速度、低功耗的非易失性存儲器的需求日漸急迫。另一方面,人工智能技術的發(fā)展和突破受到全社會的關注,被認為是未來科技發(fā)展的核心方向。不論是大數(shù)據(jù)的分析處理還是人工智能的優(yōu)化設計,都對處理器和存儲器性能提出了新的要求,例如突破馮·諾依曼瓶頸。一種典型的非馮·諾依曼架構是計算-存儲一體化,需要能夠滿足這種功能的新型存儲器做硬件。因此,電子存儲技術是應對當前大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的關鍵,也將是未來信息科技發(fā)展中的核心技術之一。相變存儲器作為新興的非易失性存儲技術之一,具備同時替代高速內(nèi)存和非易失性閃存而成為通用型存儲的可能,更是在非馮諾依曼計算領域展現(xiàn)出出色的潛力,是未來應用于大數(shù)據(jù)和人工智能領域的候選技術中的有力競爭者。相變存儲技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展,工藝和設計日漸成熟,基于相變存儲的內(nèi)存和大容量存儲展現(xiàn)出優(yōu)良的性能并已經(jīng)開始商業(yè)化。然而,盡管相變存儲的性能已經(jīng)滿足部分應用要求,但是仍然有不足之處,例如功耗較高、高溫數(shù)據(jù)保持力較差、循環(huán)性不夠高,在存儲速度、存儲密度和多級存儲精確控制方面也還有進步的空間。阻礙器件、材料性能進一步提升的一個重要原因在于對材料相變的基礎理解不夠。因此,解決以上問題的一個關鍵是理解材料的超快相變微觀機制。本文用基于密度泛函理論和含時密度泛函理論的第一性原理計算方法,從材料本身的結構性質(zhì)和材料對外場的響應兩個方面展開研究。在材料本身結構性質(zhì)方面,分別研究并對比了傳統(tǒng)相變存儲半導體鍺銻碲和新型相變存儲半導體鍺銻碲超晶格的微觀結構、電子成鍵、光電性質(zhì)和相變動力學。在材料對外場響應方面,依次研究了傳統(tǒng)熱效應下的相變機理、熱效應+電子激發(fā)效應對材料相變的影響和熱效應+電子激發(fā)效應+含時電子-聲子耦合效應下的相變動力學。本文共得出以下四個創(chuàng)新結果:1.傳統(tǒng)相變材料鍺銻碲非晶態(tài)中的強電子極化結構基元。由于結構和成鍵特性復雜而又缺乏有效的研究手段,鍺銻碲非晶態(tài)的微觀結構和光電性質(zhì)之間的關聯(lián)仍不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)中有很多的線性原子鏈結構片段,超過60%的原子參與形成這種鏈,這些鏈中的電子具有較強的電子極化性質(zhì)。與之前報道中的四面體和金字塔型微結構相比,這種原子鏈結構的優(yōu)點是建立了微觀結構-光電性質(zhì)之間的關聯(lián),可能成為精確調(diào)控材料光電性質(zhì)和材料相變行為的關鍵媒介,此結論可為多級存儲的發(fā)展提供理論指導。2.新型相變材料GeTe/Sb_2Te_3超晶格中由層錯運動誘導的絕緣體-金屬轉變�；贕eTe/Sb_2Te_3超晶格的器件展現(xiàn)出超低功耗的性能,但背后的相變機制卻不清楚,仍在劇烈的爭論中。研究發(fā)現(xiàn),材料被van der Waals空位層分隔成許多的區(qū)塊,在材料整體化學計量比不變的前提下,破壞區(qū)塊中的局部化學計量比可以導致材料金屬化,據(jù)此提出了利用局部化學計量比調(diào)控材料電學性質(zhì)的機制。這種局部化學計量比的破壞可以通過超晶格中常見的層錯缺陷的運動來實現(xiàn),進一步研究證實了層錯運動誘導的絕緣體-金屬轉變。這種性質(zhì)轉變不需要經(jīng)過傳統(tǒng)的熔化過程,可能是超晶格材料低功耗的原因之一,本研究為調(diào)控超晶格材料的性質(zhì)提供了新的思路。3.超快激光在材料中誘導的力學效應。有理論及實驗指出,超快激光對材料的作用除了傳統(tǒng)的熱效應之外,還有電子激發(fā)誘導的非熱效應,也可以誘導相變,但是激光的非熱效應和材料的作用機制還不夠清楚。本研究通過理論計算方法研究了超快激光在材料中誘導的力學效應:量子應力和原子受力。研究發(fā)現(xiàn)電子-空穴等離子體激發(fā)可以在材料中誘導出可觀的應力,應力的大小正比于激發(fā)量和材料的有效形變勢,應力的主要效果是導致材料膨脹,特別是在超硬材料中可能導致超大膨脹。另一方面,激發(fā)誘導的原子受力具有元素選擇性和晶格對稱性依賴。在晶態(tài)鍺銻碲中由于結構扭曲和空位的存在,原子受力方向無序,是誘導固態(tài)非晶化的直接原因。這種固態(tài)非晶化對于存儲來說速度更快、循環(huán)性更好。最后,利用此原理,提出了可能的新型加工方案,即冷晶格加工方案設計和材料結構導向的新型激光加工方式。4.超快激光在相變存儲母體材料鍺碲合金中誘導的菱方-立方相變。超快激光誘導的有序-有序相變是一種較少見的新型超快相變,與傳統(tǒng)的非晶化相比,晶體到晶體的相變意味著更加精細的材料結構調(diào)控,但是其超快時間尺度內(nèi)的微觀原理仍有爭議。本研究對激光場的處理更進一步,包含了非絕熱的電子-聲子耦合作用,用先進的激發(fā)態(tài)理論研究方法——含時密度泛函理論計算,研究了超快激光在典型相變材料鍺碲中誘導的菱方-立方相變。研究發(fā)現(xiàn),5%激發(fā)量的電子-空穴等離子體激發(fā)可以促使鍺碲在1ps內(nèi)發(fā)生從菱方到立方的相變。相變的根本物理原因是激發(fā)誘導的勢能面的變化,直接的驅動力是依賴于晶格對稱性的、有方向的、相干的原子受力,這種力驅動原從菱方格點向立方格點運動。這種運動是整體且無原子擴散的,不經(jīng)過傳統(tǒng)的形核-生長過程。如果能實現(xiàn)這種相變在存儲方面的應用,速度和循環(huán)性將會有大幅提升。另外,進一步的分析證實這種相變是非熱相變,為超快激光非熱效應的應用提供了理論支撐。綜上,本文通過第一性原理理論計算方法,對比研究了傳統(tǒng)和新型相變存儲材料的微觀結構、電子性質(zhì)和相變機制,并探索了不同層次的外場效應對材料相變的影響。本文研究結果給出了相變存儲材料原子尺度結構和電子結構信息以及超短時間內(nèi)的相變動力學機制。根據(jù)得到的信息和機制,有望更精細地調(diào)控材料的光電性質(zhì)甚至設計新的利用超快激光控制材料相變的方案。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O472
【圖文】：

全球數(shù)據(jù)增長趨勢

數(shù)據(jù)存儲技術分類及對比

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4 王W

本文編號：2729231