用于片上集成非易失性全光存储器的相变材料F-S转变机理研究

Integrated photonic memory is a key technology to solve the problem for bit-rate mismatch that between the stored electrical signals and/or transmitted optical signals on the current communication link, and its trend is to develop the Non-volatile memory. However, the current issue of integrated non-volatile photonic memory is the low SET operation speed, which can be ascribed to slow crystallization speed of its functional phase-change material (PCM) Ge2Sb2Te5. In this project, we will study the Fragile-Strong transition (FS) behaviors in the supercooled liquid of PCM, and a high FS transition factor (f) for PCM component will been present. We expect the designed PCM will have high crystallization speed and good thermal stability as well, which is possibly existed if the PCM has a FS transition behavior, although it is normally as a discrepancy for materials. The details of this research as listed following. At first, crystallization behavior of Ge-Te based alloys in their wide supercooled liquid temperature range that from Tm to Tg will been studied. Secondly, we will establish their temperature dependent viscosity models and obtain the crystallization kinetics of these supercooled liquids. Thirdly, the amorphous structural evolution in a FS transition behavior in the supercooled liquid state will be highlighted, then we will get the general law of PCMs with high f value. This research provides a mechanism of FS transition in PCMs, and supplies the scientific experiment data for PCM to develop the integrated non-volatile photonic memory as well.

集成全光存储技术是解决通信链路上存储电信号与传输光信号之间速率不匹配问题的关键，但目前非易失性的集成全光存储技术仍存在着器件SET操作速度慢的问题，其本质原因为传统的存储介质材料（Ge2Sb2Te5）在相变过程中结晶速率较慢。本项目拟开展过冷液区具有高弱-强（Fragile-Strong, F-S）转变强度因子f的相变材料研究，有望优化相变材料结晶速率的同时保持较好的热稳定性，打破两者之间常规的制约关系。具体研究内容包括：研究Ge-Te基非晶材料在宽过冷液温度范围（Tm-Tg）的析晶行为，建立材料的粘度-温度模型，获得其过冷液的强弱动态信息；研究过冷液区F-S转变过程中其非晶结构的演变规律和探索高f值相变材料所具有普适性的规律。本项目的研究为阐明相变材料F-S转变机理提供了科学的依据，也为推动片上集成的非易失性全光存储技术的发展提供科学的实验数据。

集成全光存储技术是解决通信链路上存储电信号与传输光信号之间速率不匹配问题的关键，但目前非易失性的集成全光存储技术仍存在着器件SET操作速度慢的问题，其本质原因为传统存储介质材料（Ge2Sb2Te5）相变过程中其结晶速率较慢。本项目拟开展过冷液区具有高弱-强（Fragile-Strong, F-S）转变强度因子f的相变材料研究，有望优化相变材料结晶速率的同时保持较好的热稳定性，打破两者之间常规的制约关系。本项目通过闪速DSC结合广义MYEGA粘度模型，对In-Sb-Te体系相变材料展开结晶动力学进行研究，发现In20(Sb3Te)80和In20(Sb4Te)80具有明显的F-S转变行为，而In20(Sb2Te3)80和In20(SbTe)80则没有F-S转变行为，这表明F-S转变行为即使在同一体系中也不具备普适性。本项目提出以下三种方法来获得具有高f值的相变材料。(1)引入能与基质材料成键的元素，形成具有不同强弱程度的新结构，形成F-S转变行为。研究了以Zn-Sb-Te和Sc-Sb-Te等为代表的金属掺杂Sb-Te基相变材料的结晶动力学行为，通过建立的粘度-温度关系，发现该材料具备明显F-S转变行为，如高热稳定的Zn28Sb54Te18，其转变温度Tfs和转变幅度f分别为610K和2.3。(2)引入不与基质材料成键的强氧化物到弱过冷液中，直接建立强弱结构团簇之间竞争关系，从而产生F-S转变。研究了以Sb-SiO2为代表的氧化物掺杂Sb基相变材料的结晶动力学，发现该材料具备明显的F-S转变行为，其中Sb30(SiO2)70材料的转变幅值f>2，转变温度为498K，过冷液脆度为55，最大结晶速率为2.1m/s。(3)通过二维受限结构触发超薄相变材料的F-S转变行为。研究了以GeTe超薄薄膜(7nm)为代表的二维受限相变材料的结晶动力学，发现二维受限结构可以触发GeTe材料的F-S转变行为（GeTe本身无F-S转变行为），其F-S转变温度为537K，远高于Tg，转变幅度达到2，且最大结晶速率为3.5m/s。上述高F-S转变的方法为提高结晶速率的同时保持良好的非晶态热稳定性提供新思路。