相变存储器用材料GeTe液相结构表征

【作者】 亢磊； 陈冷；

【机构】 北京科技大学材料科学与工程学院；

【摘要】 相变存储器(phase change memory,PCM)是通过材料相变实现数据存储的一种新型存储器,具有高速存取、可逆性及持久性优良、低能耗和尺寸小等诸多优势,被认为是未来非易失性存储器的主要替代产品。相变存储器的工作原理是基于硫系化合物在非晶态(高阻)与晶态(低阻)之间的可逆转换,进而实现数据的快速写入与擦除。迄今为止,相变存储器用材料已经形成多种成分体系。其中GeTe合金是比较经典的相变存储器用材料体系,它具有高的数据转换效率和持久的数据保存能力,受到了广泛关注。在写入数据时,必须经历由晶态熔化至液相,再急冷得到非晶相的过程。因此,液相是数据记录过程中重要的过渡相。到目前为止,对GeTe合金液相结构的研究仍相对较少,在一定程度上影响了对数据转换机制的理解。由于液相结构中原子非定域化、长程无序的特点,一些实验技术不能对其结构进行有效表征,这一直是相变存储器用材料研究的一个难点。本研究基于密度泛函理论的分子动力学模拟,以晶态GeTe为初始构型,分别得到了不同温度下(1013 K、1173 K、1373 K、2173 K)的GeTe液相结构。用径向分布函数g(r)、结构因子S(q)和键角分布函数分析了GeTe液相的局部结构特征,结果表明八面体结构主要存在于1013 K和1173 K。从动力学角度,用长时间尺度下的均方位移函数分析了原子扩散状态及其对局部结构的影响,结果表明在高温下(1373 K、2173 K)原子扩散增强,摆脱八面体结构束缚能力增加,八面体结构特征被破坏。同时,通过键合类型分布函数分析,表明在较低温度下(1013 K、1173 K) Ge-Te、Ge-Ge和Te-Te键的占比基本不变,证明了八面体结构的稳定性。通过键长分布函数分析,表明1013 K时Ge-Te、Ge-Ge和Te-Te键的键长均大于1173 K时的键长,证明八面体GeTe液相结构在1013 K体积较大。基于以上计算结果,充分证明了八面体GeTe液相结构在1013 K和1173 K温度范围内出现负热膨胀的现象,可为深入理解GeTe液相结构提供一定理论参考。更多还原