脉冲激光诱导Ge-Sb-Te超晶格相变材料结晶机制研究
发布时间：2020-09-28 09:48
伴随着信息化时代的来临,人类数据量的暴增和计算机技术的迅猛发展对信息存储器的容量和速度提出了更高的要求。基于相变材料的相变存储器(PCM)被认为是解决这一需求的有效方案。作为相变材料中性能优异的一员,Ge-Sb-Te超晶格材料(GST-SL)不仅可以提高PCM的速度和功耗,而且具备拓扑绝缘等特殊性质。科研人员对GST-SL材料的结构及性质开展了大量研究工作,但关于GST-SL的相变机制还未形成统一理论。基于此,本文采用实验和模拟相结合的方法开展了相关研究。首先,采用脉冲激光诱导非晶GST-SL薄膜晶化,进行工艺筛选并表征薄膜结晶前后的结构和光学性能变化;然后,通过有限元模拟和分子动力学分别探究GST-SL在纳秒激光辐照下的温度场变化和结晶动力学行为;最后,基于实验和模拟结果,探讨GST-SL的超快相变机制。首先,采用皮秒脉冲激光诱导非晶GST-SL薄膜晶化,通过观察薄膜的光学形貌变化,最终发现亚层厚度为4纳米的GST-SL薄膜结晶质量最好且结晶阈值低于普通Ge_2Sb_2Te_5(GST)薄膜;TEM测试结果表明,在皮秒脉冲激光辐照下,GST-SL的晶粒比GST更细,并且GST-SL结构的稳定性更强;通过XRD测试发现:GST-SL在纳秒激光辐照下结晶阈值比GST低57%;拉曼测试表明,较多的GeTe_4结构可能是GST-SL相变性能提升的原因;光谱测试结果表明,晶态GST-SL薄膜的光学性能优于GST。通过有限元方法模拟相变薄膜在纳秒激光辐照下的温度场变化,获得了不同能量密度对应的温度-时间曲线,GST-SL和GST的结晶阈值分别对应700 K和1200 K;采用分子动力学模拟了GST-SL和GST原子模型的升温过程,GST-SL展现出了更好的层结构稳定性,且于1400 K左右结构变化较大;随后在非晶化模拟中发现:三个GST-SL模型均出现Sb原子跳入Te-Te层的现象,且Kooi-mix模型的层结构最稳定;而在结晶模拟中发现Kooi-mix和Petrov-mix模型均可以在几个皮秒内回到初始晶态位置,而GST模型的结晶时间在150皮秒以上;最后,综合以上模拟结果推测:GST-SL中稳定的层结构是其相变性能提升的原因,而Sb原子在Te-Te层的跳跃行为是揭开GST-SL相变机制的关键。本文通过实验和模拟探究了GST-SL的结晶特性,阐明了GST-SL薄膜结构的优越性,发现了GST-SL原子模型中的Sb原子跳跃行为,这对探究相变材料的机制和优化相变存储器具有重要的指导意义。
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TN249
【部分图文】：
人们对高清多媒体的需求量越来越大，4K、8K 电视（图1.1.a 所示）正在走入人们的生活中。一部超清电影大小可达 10 G 左右，有的甚至几十 G。而一部手机的存储一般都在几十 G 左右，因此当下的存储技术的已经无法满足当下的需求。当下处于互联网浪尖的人工智能技术其实也是建立在大数据技术基础之上的（图 1.1.b 所示），因此信息存储技术是人工智能的发展的一个重要部分。此外，即将商业化的 5G 网络和未来的量子计算机技术（图 1.1.c），都对存储器的容量大小和传输速度提出了更高的要求。因此开发更高存储密度和更快传输速度的存储器的任务显得十分紧迫。图 1.1 信息存储相关技术:（a）高清电视 （b）人工智能 （c）量子计算机Fig. 1-1 Information storage related technology (a) High-Definition TV, (b) artificialintelligence, (c) quantum computer1.2 相变材料及其特性
环性 >1016105>1013>10121012多阶次 否 否 是 否 是1.2.2 相变材料相变材料是以锗（Ge)、锑（Sb）、碲（Te）为组元的一系列合金半导体(图1.2.a)，其电致可逆相变特性于 1968 年被科学家 Ovshinsky[8]发现。而后相变材料的光致相变特性也逐步发现[9]并应用于光存储器件[10]，光存储器的发明大大降低了信息存储的成本并进一步推动了多媒体的广泛传播。在所有的相变材料中，处于 GeTe-Sb2Te3伪二元线上的材料是性能最好也是研究最多的系列[11]。而Ge2Sb2Te5（GST）是伪二元线上的典型代表，也是相变速度最快的一员[12]。GST结构晶体结构如图 1.2.b 所示：晶体结构的整体为岩盐结构，其中 Te 占据阳离子位置，Sb、Ge、空位分别以 2:2:1 的比例占据阴离子位置[13]。Ge-Sb-Te 相变材料存储信息和原理如图 1.2.c 所示：晶态和非晶态分别在强短脉冲和弱长脉冲（电
提出了新型的集成化全光存储器（图1.3.c 所示)，并成功实现了低功耗的多阶全光存储[17]。在结合 GST 的光电性能方面，Gerardo 等人[18]采用 GST 相变开发出了一种微纳光-电耦合器件（图 1.3.d 所示）。另外，GST 材料在红外传感器[19]、太赫兹探测器[20]甚至新型全光 CPU 开发[21]等方面的都具有广泛的应用。
本文编号：2828645
【学位单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TN249
【部分图文】：
人们对高清多媒体的需求量越来越大，4K、8K 电视（图1.1.a 所示）正在走入人们的生活中。一部超清电影大小可达 10 G 左右，有的甚至几十 G。而一部手机的存储一般都在几十 G 左右，因此当下的存储技术的已经无法满足当下的需求。当下处于互联网浪尖的人工智能技术其实也是建立在大数据技术基础之上的（图 1.1.b 所示），因此信息存储技术是人工智能的发展的一个重要部分。此外，即将商业化的 5G 网络和未来的量子计算机技术（图 1.1.c），都对存储器的容量大小和传输速度提出了更高的要求。因此开发更高存储密度和更快传输速度的存储器的任务显得十分紧迫。图 1.1 信息存储相关技术:（a）高清电视 （b）人工智能 （c）量子计算机Fig. 1-1 Information storage related technology (a) High-Definition TV, (b) artificialintelligence, (c) quantum computer1.2 相变材料及其特性
环性 >1016105>1013>10121012多阶次 否 否 是 否 是1.2.2 相变材料相变材料是以锗（Ge)、锑（Sb）、碲（Te）为组元的一系列合金半导体(图1.2.a)，其电致可逆相变特性于 1968 年被科学家 Ovshinsky[8]发现。而后相变材料的光致相变特性也逐步发现[9]并应用于光存储器件[10]，光存储器的发明大大降低了信息存储的成本并进一步推动了多媒体的广泛传播。在所有的相变材料中，处于 GeTe-Sb2Te3伪二元线上的材料是性能最好也是研究最多的系列[11]。而Ge2Sb2Te5（GST）是伪二元线上的典型代表，也是相变速度最快的一员[12]。GST结构晶体结构如图 1.2.b 所示：晶体结构的整体为岩盐结构，其中 Te 占据阳离子位置，Sb、Ge、空位分别以 2:2:1 的比例占据阴离子位置[13]。Ge-Sb-Te 相变材料存储信息和原理如图 1.2.c 所示：晶态和非晶态分别在强短脉冲和弱长脉冲（电
提出了新型的集成化全光存储器（图1.3.c 所示)，并成功实现了低功耗的多阶全光存储[17]。在结合 GST 的光电性能方面，Gerardo 等人[18]采用 GST 相变开发出了一种微纳光-电耦合器件（图 1.3.d 所示）。另外，GST 材料在红外传感器[19]、太赫兹探测器[20]甚至新型全光 CPU 开发[21]等方面的都具有广泛的应用。
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 童浩;超晶格相变材料研究[D];华中科技大学;2012年
本文编号：2828645
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/2828645.html
