多元硫族超晶格相变存储材料的生长动力学与性质研究

As the storage media, novel multicomponent chalcogenide superlattice phase-change materials with special superlattice structures could greatly improve the storage performance of next generation phase-change random access memory devices. However, the mechanism of the grow dynamics for the superlattice structure, which plays a very important role for the achieving and application of the superlattice phase-change materials and related devices are not clear. On the one hand, the reason why the binary chalcogenide can form superlattice structure with van der Waals bonding has not been studied, which dominates the “first step” of the growth processes of the superlattices. On the other hand, the matching degree of the crystallographical, physical and chemical properties of the binary chalcogenide determines the grow dynamics of superlattice as well, which is not yet clear. In this project, we will combine the advanced theoretical and computational methods including ab initio molecular dynamics, van der Waals corrected density functional theory and hybrid functionals. In order to establish the corresponding growth dynamical model and find the key determinants, we will simulate the growth processes of the superlattices and further explore the growing mechanism of the multicomponent chalcogenide superlattice phase-change materials, starting from the first step of the growth of the superlattice structure. Furthermore, to build the mechanism model of the superlattice fast reversible phase transition process, we will unravel the role of the van der Waals bonding during the phase transition processes and structure evolutions of the multicomponent chalcogenide superlattice phase-change materials. Our study will provide a theoretical foundation and understanding for the applications of new superlattice phase-change memory device based on the multicomponent chalcogenide superlattice phase-change materials.

作为存储介质，具有超晶格结构的新型多元硫族超晶格相变存储材料有望极大提高下一代相变电存储器的存储性能。然而，由于超晶格的生长机理尚不明确，限制了多元硫族超晶格相变存储材料和器件的设计与应用。其中，超晶格组分之间能够形成范德瓦尔斯键的根本原因尚不清楚，但其决定了超晶格生长的“第一步”能否发生；超晶格组分之间的各种性质的匹配程度对超晶格生长过程也会起到决定性影响，其内在机理也不清楚。本项目采用从头计算分子动力学方法、范德瓦尔斯修正的密度泛函理论与杂化泛函等先进理论计算方法，以超晶格生长的“第一步”作为切入点，模拟超晶格的生长动力学过程，探究超晶格组分间性质的匹配程度对超晶格生长过程的影响，构建其生长动力学模型；阐明超晶格中的范德瓦尔斯键在其可逆相变结构演化过程中的作用机制，建立其可逆相变机理模型；为开发基于多元硫族超晶格相变存储材料的新型相变存储器提供理论基础。

通过范德瓦尔斯作用力，将两种或多种二维层状材料结合而形成的超晶格材料可以综合各个组元的优异性质，并可能产生新奇的物理、化学特性。以GeTe-Sb2Te3为代表的多元硫族超晶格相变存储材料表现出许多新奇的电子行为特征并具有极为优异的相变存储性能，理解其超晶格特征结构的生长机理，可以为相关的多元硫族超晶格材料的进一步发展与应用提供理论基础。首先，我们通过先进密度泛函理论计算筛选，辅以自主构建的多尺度自动全流程计算系统，获得了范德瓦尔斯修正泛函对于多元硫族超晶格相变存储材料的描述准确性，确定了几种可用于准确预测多元硫族超晶格材料的计算方法。其次，结合基于第一性原理的分子动力学、晶格动力学和化学键分析，发现多元硫族超晶格中的具有X–A–A–X (A = Si, Ge, Sn, Pb、X = Se, Te)堆垛方式的二维硫族化合物不仅可以独立稳定的存在，并且具有优异的新奇电子特性，其存在是形成多元硫族超晶格材料的关键因素。第三，通过研究组成超晶格的各个二元硫族化合物的各种晶体学参数与物理、化学性能的匹配程度，探究了形成超晶格的决定性影响因素，获得了多元硫族超晶格材料的生长规律，并初步将其拓展到了多元硫族异质结材料体系中。我们的研究对于推动基于二维层状多元硫族半导体材料与相关存储器件的深入研究具有较大的理论指导意义。通过本项目的研究，在Nanoscale、Inorganic Chemistry、Nano Research、Journal of Materials Chemistry C、ACS Applied Materials & Interfaces等高水平国际期刊上共发表相关学术论文16篇，其中申请人作为第一或通讯作者论文13篇，ESI高被引论文1篇。项目执行期间，申请人晋升为副教授，入选2017年度福建省高校杰出青年科研人才计划。