吉林大学Acta Mater.：空位有序GeSbTe合金的特定元素非晶化用于三态相变存储器

【引言】

GeSbTe合金能够在非晶相和晶相之间快速转化，因此它可用在非易失性相变存储器中。不同相的电学性质（电阻率）和光学性质（反射率）都存在着明显的差异。而相变可以由高温，激光或电脉冲等引起。在所有的硫族化物中，Ge₂Sb₂Te₅（GST）是研究最广泛的相变材料。GST具有许多优异的相变特性，如转变速率快、数据存储能力好和循环次数多。GST等相变材料的转变机制以及新应用已经成为材料领域研究的一个热点。

【成果简介】

近日，吉林大学的李贤斌副教授在Acta Mater.上发表了题为“Element-Specific Amorphization of Vacancy-Ordered GeSbTe for Ternary-State Phase Change Memory”的文章。在这篇文章中，作者使用第一性原理分子动力学模拟的方法，研究空位有序GST（VOC GST）的非晶形成过程及其应用。研究发现VOC GST表现出准二维非晶化过程，这由Ge原子的扩散引发的而非其它原子。并获得部分非晶相（P-amor），它是处于晶态和非晶态之间的一种状态，可用于三态数据存储。

【图文导读】

图一：VOC GST中两熔融淬火过程的温度演化及最终RESET结构

在P1 RESET结构中红色遮蔽区域是P-amor相的非晶态部分。其中，绿色为Ge、紫色为Sb、橙色为Te。

图二：Ge首先扩散到空位层时，熔融开始阶段的结构变化

(a-d) 不同熔融时间（(a) 2.25ps, (b) 2.7ps, (c) 3.12ps, (d) 3.39ps）的结构变化。突出显示两个Ge原子（扩散到空位有序层中的Ge1和Ge2）及其周围的Te原子。原子颜色表示的含义与图1相同。

(e) 在熔融过程中，Ge（绿色）、Sb（紫色）和Te（橙色）的X分数坐标。 0.5和0.6之间的坐标是指原始空位层。

(f) 进入空位层的Ge原子（红线）和另一Ge原子（蓝线）的平均键角分布（熔融时间在4.5ps和6ps之间）。

图三：纯非晶相、P-amor相的非晶部分和在300K下进一步退火300ps 的P-amor相的非晶部分的键几何结构和空位分布  

(a) 不同配位数的Ge的局部顺序参数(q)。垂直虚线表示标准八面体（Oct）和四面体（Tetr）键环境中的q。深灰色区域与四面体键密切相关。

(b) 三种相空位的空间分布（由电荷密度图中的0.0015a.u.的低密度等值线表示，灰色区域）。

图四：P-amor GST的电学性能

(a) 在P-amor相及进一步退火300ps的P-amor相中的高度局部化电子（黄色点）的空间分布。

(b) P-amor相状态密度。

(c) VOC、纯非晶（Amor）、P-amor相和进一步退火300ps的P-amor相的ε₂。

图五：晶体(VOC)、非晶和P-amor相之间的转变方式

利用红色脉冲来熔化GST，并用蓝色脉冲来将GST加热到高于玻璃化转变温度但低于熔点以逆转该过程。

【小结】

在这篇文章中，作者利用第一原理分子动力学模拟建立了VOC GST的熔融淬火RESET图像。为了触发相变，Ge与空位有序层的相邻空位交换位置。这导致在空位层周围快速熔化，由此触发准二维RESET过程，可以利用适当的RESET持续时间来获得P-amor相位。在其非晶部分中，与纯非晶相相比，四面体环境中的Ge较少，但空隙较大。在P-amor相中，高度局部化的电子停留在非晶区域中，而离域电子停留在晶体区域中。因此，其光学和电学性质（如ε₂）在纯非晶相和晶相之间。同时，作者还提出了实现VOC、P-amor和纯非晶GST三态的可行方法。

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

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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