原子团簇校正法研究Ge2Sb2Ge5的结构及相变动力学过程

The research on phase change materials is one of the most important topic in materials science,researchers have been attracted much attention all over the world because of its broad application prospects and many of the delicate nature. The phase change material is the core of the phase-change memory,and the microstructure of the materials and its dynamic changes is the key to understanding the phase transition mechanism. The project intends to use the ab initio molecular dynamics to study the chalcogenide compound material(Ge2Sb2Te5:GST) constitutes along the GeTe-Sb2Te3 pseudo-binary alloy line, the dynamic properties and the microstructure evolution from liquid to amorphous and crystalline will be studied by using the atomic clusters alignment(ACA) method. The real-time phase transitions process will be monitored by the molecular dynamics process and ACA, which can be understood the mechanism of phase-change memory. The dynamics of the micro-structural changes of the GST in the process of phase change will be revealed,the atomic structures of crystal GST will be determined by ACA.The research results will provide assistance for the design and application of phase change materials.

材料相变的研究是材料科学中的重要研究课题之一，其广阔的应用前景和多方面的微妙性质引起了国内外研究者的研究兴趣。相变材料是相变存储的核心，而材料微观结构及其变化是了解相变机制的关键。本项目拟采用第一性原理计算的分子动力学，以具有广泛应用前景的沿GeTe-Sb2Te3伪二元合金线构成的硫系化合物材料Ge2Sb2Te5（GST）作为研究对象，利用原子团簇校正方法，研究GST从液态-非晶态,液态-晶态的相变过程中微观结构演变及其性质的变化规律。根据分子动力学过程实时监视相变的动态过程，从而可以直观理解相变存储的机理。通过研究，揭示GST在相变过程中的微观结构变化的动力学机制，确定晶态GST的原子结构，为相变材料的设计和应用提供帮助。

相变存储器技术作为最具潜力的下一代非易失性半导体存储技术之一, 在工业界和学术界都引起了广泛关注, 与其相关的基础研究也成为当前的热点领域之一。 相变存储器中最为核心的是沿GeTe-Sb2Te3伪二元合金线构成的硫系化合物材料Ge2Sb2Te5（GST）为基础的相变材料, 而相变材料的微观结构及其随温度的变化是了解相变机制的关键。本项目在国家自然科学基金的支持下，对多种相变材料Ge2Sb2Te5、Ge3Sb2Te6、GexTe1-x、Ga16Sb84、Sb2Te3和单质Sn在不同温度下的微观结构及其随温度的变化规律及其相变机制进行系统研究。取得的主要成果如下：.1、通过动力学模拟和原子团簇校正法研究了快速降温过程中Ge2Sb2Te5和Ge3Sb2Te6的结构变化。不同于以往的研究方法，团簇校正法能更好地反映体系的短程和中程结构。结果表明非晶化过程中部分Ge为中心的团簇由八面体结构转化为四面体，Sb为中心的团簇由四面体转化为八面体结构；四面体在液态和过冷液态中呈现聚集现象，而六配位八面体则在非晶态中呈现聚集现象。本研究有助于理解非晶态的形成过程和具体结构，对于相变材料的应用具有重要意义。.2、分析了不同组分GexTe1-x快速冷却过程中的结构变化，讨论了其中四面体和八面体的形成机理。同时和实验相结合，着重研究了Ge60Te40这一组分的光学性质和结构演变。.3、研究了新型相变材料Ga16Sb84相变过程前后光学性质和微观结构的变化。同时通过理论模拟证实了其晶态和非晶态具有相似的短程局域有序结构，这或许是相变能够迅速发生的一个原因。.4、系统地研究了Sb2Te3在不同温度下的动力学性质和局域结构。原子数密度和均方根位移结果表明Sb2Te3随着温度的降低经历了三种状态变化：液态、过冷液态和玻璃态。通过分析Sb2Te3周围的化学环境和键角分布函数，发现在Sb2Te3体系中最可能出现的短程结构是扭曲八面体，并且这些八面体结构是通过四环连接起来的。.5、提出了一种利用光学方法研究单质元素Sn在固-液相变过程中熔点温度的测量方法。从理论上分析了在熔点附近体系从有序结构到无序结构的相变机制。. 通过上述研究，揭示相变存储材料在相变过程中的微观结构的演变和相变动力学机制，为相变材料的设计和应用提供了有益的帮助。