相变存储材料GeSbTe中空位的研究

多元硫族化合物（GeSbTe）是重要的光存储和电存储材料，数据存储是利用GeSbTe非晶和晶相（立方）之间的可逆相变来实现的。GeSbTe已在光存储技术中得到了广泛的应用，而且即将在相变随机存储器（PCRAM）中得到重要应用。然而可逆相变存储的微观机理和可逆相变过程中的结构演化，尤其是立方相中空位的电子起源和作用至今仍不清楚。因此，对提高相变材料的存储性能和寻求新相变材料缺乏必要的理论指导。本项目采用第一性原理和量子分子动力学方法并结合实验研究GeSbTe的立方相中空位的电子起源，明确空位有序、无序排列对GeSbTe结构和性能的影响；研究可逆相变过程中的结构演化，明确空位浓度对GeSbTe非晶局域结构的影响和对可逆相变的作用。从电子和原子层次上理解可逆相变存储机理，为相变材料的改性和探索新材料奠定理论基础。

本项目以重要的光/电存储相变材料Ge-Sb-Te (GST) 合金为研究对象，针对其中的关键科学问题，包括本征空位对晶相结构和非晶局域结构及其物理性能的影响、空位在非晶与晶相之间快速可逆相变中的作用等基本问题，开展了系统、深入的研究，取得了一系列创新性成果：（1）阐明了Ge2Sb2Te5及GeTe合金压力诱导的非晶化-晶化过程中的结构演化规律，明确了本征空位在可逆相变中的重要作用，为设计性能更好的相变存储材料奠定了理论基础；（2）揭示了GST晶相中本征空位的物理本质及作用，阐明了相变存储材料晶相的精细结构和化学键特征，建立了GST晶相的缺陷结构与物理性质的关联，为探索新型相变存储材料奠定了理论基础；（3）阐明了空位等点缺陷对Ge2Sb2Te5合金非晶局域结构及其稳定性的影响，建立了非晶局域结构特征与快速可逆相变的关系，为探索擦写速度快、稳定性好和寿命长的相变存储材料提供了理论基础；（4）揭示了六方GST的拓扑绝缘性，设计并预测了GeTe/Sb2Te3超晶格的拓扑绝缘特性，拓展了拓扑绝缘体的类型，为发展兼具自旋电子学、量子计算和相变存储特性的新型器件提供了理论基础；（5）发明了一种在室温下从含锗、锑、碲离子的水溶液中电化学沉积制备Ge-Sb-Te三元相变材料纳米薄膜的方法。三年来共发表SCI论文18篇，包括2篇PNAS，1篇Phys. Rev. Lett.，2篇Phys. Rev. B, 2篇EPL和1篇PCCP等，申请国家发明专利2件，应邀在MRS (美国材料年会) 和NVMTS (非易失存储技术研讨会) 等重要国际会议上做大会报告或邀请报告6次，为提升我国在相变存储研究领域的国际地位做出了重要贡献。