Zn-Sb基纳米复合相变薄膜的可控晶化和界面微结构稳定性研究

Nano-composite phase change material is a new kind of functional storage materials, its small size effect and dielectric material package function can refine crystal grain, increase crystalline resistance so as to reduce the power consumption of the device. Therefore, it is widely used in the phase change memory for the replacement of phase change materials with traditional single structure. But nowadays, nano-composite films still exist the scientific problems below: (1) The effect of interface on the crystallization process is kept unknown; (2) The interface microstructure stability during repeated cycle after the composite between phase change materials and dielectric materials need to be researched. This project is to select high crystalline resistance Zn-Sb as matrix, control components with the introduction of low thermal conductivity material, and optimize the composite material with phase change ability. To realize controlled crystallization, the proper heat treatment needs to be adopted in order to control the distribution of nanocrystals, crystal size and specific phase precipitation. By using laser-induced technology, the film interface microstructure change during phase change process is real-time monitored. These methods can solve the problems of uncontrollable crystallization process of grain growth and unstable microstructure change. The project aims to grasp with independent intellectual property rights of nanocomposite thin film preparation technology, realize nano-crystalline precipitation controlled, and perfect the mechanism of composite material structural stability. This can provide the theory basis and scientific experimental data for promoting the development of the structure-stable low-power storage medium layer.

纳米复合相变材料是一种新型的功能存储材料，其小尺寸效应和介质材料包裹作用能细化晶体颗粒，增加晶态电阻从而实现降低器件功耗的目的，因此有望取代传统单一结构的相变材料而广泛应用于相变存储器中。但现阶段纳米复合薄膜材料存在着以下科学问题：(1)可控晶化过程中界面存在的影响机理不明；(2)反复循环过程相变材料与介质材料复合后界面微结构稳定性有待研究。本项目以高晶态电阻Zn-Sb为研究对象，通过引入低热导率的介质材料调控组分，优化获得具有相变能力的复合材料并通过热处理控制纳米晶的分布、尺寸和特定晶相析出，实现可控晶化。利用激光诱导技术实时监测薄膜的相变过程中界面微结构变化，解决结晶化过程中晶粒生长不可控、微结构不稳等问题，旨在掌握具有自主知识产权的纳米复合薄膜制备技术，实现纳米晶可控析出，并且完善复合材料结构稳定性机理，为推动结构稳定的低功耗存储介质层的发展提供理论依据和科学的实验数据。

纳米复合相变材料是一种新型的功能存储材料，其小尺寸效应和介质材料包裹作用能细化晶体颗粒，增加晶态电阻从而实现降低器件功耗的目的，因此有望取代传统单一结构的相变材料而广泛应用于相变存储器中。本项目研究内容主要包括纳米复合相变材料的优化设计与制备，可控晶化过程中晶相控制行为以及纳米复合微结构界面稳定性等。研究中，本项目提出了一种“双相共存”的设计思想，解决相变材料高结晶速率和高热稳定性在单一相材料中无法兼顾的矛盾，筛选出新型相变材料Zn-Sb-Te合金等。利用结构适配且更加稳定的锌碲化学键来加速晶核的孕育过程，显著降低形核过程的随机性，大幅加快结晶化即写入操作速度。与传统GeSbTe材料相比，ZnSbTe结晶化速度提升超过10多倍，达到了10纳秒的高速可逆操作。另外，形成有效均匀纳米非晶-晶相稳定结构，提高十年数据保持力温度近50℃，清晰地揭示了超快结晶化和高热稳定的微观机理。提出了一种新型亚稳相变异质结构设计方法，改变了相变材料只能依靠晶相改变实现多级存储的传统观念。利用介质材料或重金属硫化物复合相变颗粒，通过界面控制结晶过程形成异质结网络结构，有效增加不同晶界长度和表面界面自由能，形成导电通道，改变电子浓度和无序度致诱发亚稳相实现绝缘-金属转变（IMT）过程，扩宽其存在的温控范围近80℃，确保亚稳相中多阻态的可控输出；提出以扩散为主Spinodal Decomposition（亚稳相分解）结晶新机制，完善了热动力学下固态相变机理以揭示材料整体性能提升本质。利用原位TEM技术记录材料微结构热处理中元素扩散过程，创新性采用氧/Sn/Bi等填充/修复ZnSb中的空洞。该研究首次利用Spinodal分解理论将材料的微观结构与宏观性能表现相结合，揭示材料缺陷自愈机理，抑制相分离以及反复相变过程中的组分偏析，使得Zn-Sb材料的相变过程更加可控、相变存储器有望获得自修复特性。通过本项目的研究掌握了纳米复合薄膜制备技术，实现纳米晶可控析出，并完善微结构稳定性机理，推动了结构稳定的低功耗存储介质层的发展。