伴隨著信息化時(shí)代的來(lái)臨,人類數(shù)據(jù)量的暴增和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展對(duì)信息存儲(chǔ)器的容量和速度提出了更高的要求。基于相變材料的相變存儲(chǔ)器(PCM)被認(rèn)為是解決這一需求的有效方案。作為相變材料中性能優(yōu)異的一員,Ge-Sb-Te超晶格材料(GST-SL)不僅可以提高PCM的速度和功耗,而且具備拓?fù)浣^緣等特殊性質(zhì)�？蒲腥藛T對(duì)GST-SL材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)開(kāi)展了大量研究工作,但關(guān)于GST-SL的相變機(jī)制還未形成統(tǒng)一理論�；诖�,本文采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法開(kāi)展了相關(guān)研究。首先,采用脈沖激光誘導(dǎo)非晶GST-SL薄膜晶化,進(jìn)行工藝篩選并表征薄膜結(jié)晶前后的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能變化;然后,通過(guò)有限元模擬和分子動(dòng)力學(xué)分別探究GST-SL在納秒激光輻照下的溫度場(chǎng)變化和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)行為;最后,基于實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果,探討GST-SL的超快相變機(jī)制。首先,采用皮秒脈沖激光誘導(dǎo)非晶GST-SL薄膜晶化,通過(guò)觀察薄膜的光學(xué)形貌變化,最終發(fā)現(xiàn)亞層厚度為4納米的GST-SL薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好且結(jié)晶閾值低于普通Ge_2Sb_2Te_5(GST)薄膜;TEM測(cè)試結(jié)果表明,在皮秒脈沖激光輻照下,GST-SL的晶粒比GST更細(xì),并且GST-SL結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更強(qiáng);通過(guò)XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn):GST-SL在納秒激光輻照下結(jié)晶閾值比GST低57%;拉曼測(cè)試表明,較多的GeTe_4結(jié)構(gòu)可能是GST-SL相變性能提升的原因;光譜測(cè)試結(jié)果表明,晶態(tài)GST-SL薄膜的光學(xué)性能優(yōu)于GST。通過(guò)有限元方法模擬相變薄膜在納秒激光輻照下的溫度場(chǎng)變化,獲得了不同能量密度對(duì)應(yīng)的溫度-時(shí)間曲線,GST-SL和GST的結(jié)晶閾值分別對(duì)應(yīng)700 K和1200 K;采用分子動(dòng)力學(xué)模擬了GST-SL和GST原子模型的升溫過(guò)程,GST-SL展現(xiàn)出了更好的層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,且于1400 K左右結(jié)構(gòu)變化較大;隨后在非晶化模擬中發(fā)現(xiàn):三個(gè)GST-SL模型均出現(xiàn)Sb原子跳入Te-Te層的現(xiàn)象,且Kooi-mix模型的層結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定;而在結(jié)晶模擬中發(fā)現(xiàn)Kooi-mix和Petrov-mix模型均可以在幾個(gè)皮秒內(nèi)回到初始晶態(tài)位置,而GST模型的結(jié)晶時(shí)間在150皮秒以上;最后,綜合以上模擬結(jié)果推測(cè):GST-SL中穩(wěn)定的層結(jié)構(gòu)是其相變性能提升的原因,而Sb原子在Te-Te層的跳躍行為是揭開(kāi)GST-SL相變機(jī)制的關(guān)鍵。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬探究了GST-SL的結(jié)晶特性,闡明了GST-SL薄膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,發(fā)現(xiàn)了GST-SL原子模型中的Sb原子跳躍行為,這對(duì)探究相變材料的機(jī)制和優(yōu)化相變存儲(chǔ)器具有重要的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;TN249
【部分圖文】：

人們對(duì)高清多媒體的需求量越來(lái)越大，4K、8K 電視（圖1.1.a 所示）正在走入人們的生活中。一部超清電影大小可達(dá) 10 G 左右，有的甚至幾十 G。而一部手機(jī)的存儲(chǔ)一般都在幾十 G 左右，因此當(dāng)下的存儲(chǔ)技術(shù)的已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)下的需求。當(dāng)下處于互聯(lián)網(wǎng)浪尖的人工智能技術(shù)其實(shí)也是建立在大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)之上的（圖 1.1.b 所示），因此信息存儲(chǔ)技術(shù)是人工智能的發(fā)展的一個(gè)重要部分。此外，即將商業(yè)化的 5G 網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)（圖 1.1.c），都對(duì)存儲(chǔ)器的容量大小和傳輸速度提出了更高的要求。因此開(kāi)發(fā)更高存儲(chǔ)密度和更快傳輸速度的存儲(chǔ)器的任務(wù)顯得十分緊迫。圖 1.1 信息存儲(chǔ)相關(guān)技術(shù):（a）高清電視 （b）人工智能 （c）量子計(jì)算機(jī)Fig. 1-1 Information storage related technology (a) High-Definition TV, (b) artificialintelligence, (c) quantum computer1.2 相變材料及其特性

環(huán)性 >1016105>1013>10121012多階次 否 否 是 否 是1.2.2 相變材料相變材料是以鍺（Ge)、銻（Sb）、碲（Te）為組元的一系列合金半導(dǎo)體(圖1.2.a)，其電致可逆相變特性于 1968 年被科學(xué)家 Ovshinsky[8]發(fā)現(xiàn)。而后相變材料的光致相變特性也逐步發(fā)現(xiàn)[9]并應(yīng)用于光存儲(chǔ)器件[10]，光存儲(chǔ)器的發(fā)明大大降低了信息存儲(chǔ)的成本并進(jìn)一步推動(dòng)了多媒體的廣泛傳播。在所有的相變材料中，處于 GeTe-Sb2Te3偽二元線上的材料是性能最好也是研究最多的系列[11]。而Ge2Sb2Te5（GST）是偽二元線上的典型代表，也是相變速度最快的一員[12]。GST結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)如圖 1.2.b 所示：晶體結(jié)構(gòu)的整體為巖鹽結(jié)構(gòu)，其中 Te 占據(jù)陽(yáng)離子位置，Sb、Ge、空位分別以 2:2:1 的比例占據(jù)陰離子位置[13]。Ge-Sb-Te 相變材料存儲(chǔ)信息和原理如圖 1.2.c 所示：晶態(tài)和非晶態(tài)分別在強(qiáng)短脈沖和弱長(zhǎng)脈沖（電

提出了新型的集成化全光存儲(chǔ)器（圖1.3.c 所示)，并成功實(shí)現(xiàn)了低功耗的多階全光存儲(chǔ)[17]。在結(jié)合 GST 的光電性能方面，Gerardo 等人[18]采用 GST 相變開(kāi)發(fā)出了一種微納光-電耦合器件（圖 1.3.d 所示）。另外，GST 材料在紅外傳感器[19]、太赫茲探測(cè)器[20]甚至新型全光 CPU 開(kāi)發(fā)[21]等方面的都具有廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 童浩;超晶格相變材料研究[D];華中科技大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2828645