新型相变材料的设计与优选

初步建立了伪二元新型相变材料组分链的设计与优选理论，为了验证并完善此理论。本项目拟针对此理论所发现的潜在的多条伪二元相变组分链，各选取1－2个组分进行相变性能的表征。主要验证各组分薄膜材料是否能具有纳秒级高速相变、非晶态电阻值高温情况数十年的热稳定性、非晶态与晶态电阻值之间足够的分辨率、超过十万次的可逆循环操作。并拟针对相变性能较好的组分进行微观结构的系统分析，以了解其快速相变的内在机理。由此可以获得一批具有不同组分相变材料的相变性能和结构参数，通过比较各组分的相变性能，可以检验伪二元新型相变材料的设计与优选理论的正确性。

本项目对伪二元材料组分链如Si2Te3–Sb2Te3、GeSe–Sb2Se3、SnTe–Sb2Te3、Al2Te3–Sb2Te3等不同组分薄膜的晶态与非晶态电阻分辨率、晶化温度、十年数据保持能力、衬底粘附力、相变前后体积变化以及最为关键的电学操作可逆相变特性进行了系统的研究。优选出Si3-3.5Sb2Te3、Al1-3.25Sb3Te两种材料体系组分区间：1)当Te:Sb比例大于3:2时，Si-Sb-Te薄膜在高温过程中Te元素不可避免的会析出，严重的分相将降低相变单元的操作可靠性与使用寿命；2)Si掺入SbTe体系后与Sb、Te原子均不成键，形成纳米复合微观结构，Si不参与相变；3)Si含量的增多可以有效抬高非晶、晶态薄膜电阻，有利于降低相变操作功耗；同时可以抑制SbTe晶粒的尺寸，增加与SiO2衬底的粘附力，抑制相变前后的体积变化，且十年数据保持能力可持续提升，其中Si3Sb2Te3时为120℃保持十年；4)而Si含量过多将显著降低相变单元的电学操作性能，特别是疲劳特性，由此可确定综合性能最优的组分区间为Si3-3.5Sb2Te3；5) AlxSb3Te (x>1)体系具有高于120℃的十年数据保持温度，由于Al掺入可显著提升薄膜热稳定性；6) AlxSb3Te体系晶态薄膜保留了Sb2Te六方晶体结构，形成可能的Al2Te3晶格与Sb2Te晶格的镶嵌晶态结构，较小的晶粒尺寸有利于高密度情况下实现稳定的电学操作；7) AlxSb3Te体系相变单元在10ns电脉冲操作下可实现可逆相变，证实可在替代DRAM的PCRAM中得到应用；8)以Al2Te3与Sb2Te3构建伪二元Al2Sb2Te6材料发现，单纯Al2Te3薄膜不具备存储特性但热稳定性较好，单纯Sb2Te3薄膜可实现存储特性且晶化速度较快，但热稳定性不佳，结合二者的优势构建的Al2Sb2Te6薄膜即具有高相变速度，其热稳定性也得到了改善，且具备优良的相变存储特性；9) Al2Sb2Te6材料Al原子具有类似Ge2Sb2Te5材料非晶-多晶可逆相变过程中Ge原子4-6配位数变化的特征，且Al-Te键能显著低于Ge-Te键能，从某种程度上说明Al-Sb-Te材料具有显著快于Ge-Sb-Te材料的相变速度。