纳米复合相变存储材料Si-Sb2Te3的相转变机理研究

相变存储器(PCM)是最具竞争力的下一代非易失性半导体存储器，目前Samsung和Numonyx已经将PCM芯片小批量的推向了市场，其前景被广泛看好，作为PCM的关键性存储介质，相变材料在PCM的研发中占据了极其重要的位置。Si-Sb2Te3是我国自主研发且有应用前景的纳米复合相变材料，具有Si和Sb2Te3 两相均匀复合的结构特点，但是该材料相转变机理尚不明确，制约了其在PCM中的应用。本项目采用透射电子显微镜(TEM)、X射线吸收精细结构(XAFS)技术和载流子输运特性测试等实验手段，分别对Si-Sb2Te3材料的相转变过程、相变前后的原子近邻结构以及载流子的变化情况进行研究。在阐明复合材料原子结构的基础上，通过理论计算建立复合结构模型，模拟材料的相转变过程，研究不同物相对材料电子结构和能带的影响，进而与实验结合从原子尺度揭示复合材料的相转变机理。

本项目采用先进的电子显微学分析方法，通过对相变材料Si-Sb2Te3进行系统深入的研究，阐明了其纳米复合嵌套结构，证实了该材料中存在着一种不同于传统相变材料的相变机理：以纳米复合结构为基础，在纳米区域范围内完成可逆相变过程。在项目组成员的共同努力下，顺利完成了项目任务，发表SCI论文11篇，EI论文2篇。主要结果如下：.（1）设计制备了SiXSb2Te3材料，其中Si元素的组分是系列变化的，通过研究不同Si含量SiXSb2Te3材料的晶化温度、结晶形貌、晶化后的晶粒大小、晶粒的均匀度等，综合可知SiXSb2Te3材料中X的最佳值为2  X  4。.（2）相变材料Si3.3Sb2Te3形成了非晶Si和Sb2Te3多晶互相嵌套的纳米复合结构，本文对该材料的非晶晶态以及晶态非晶可逆相变过程进行了详细的微结构表征和研究，并利用激光首次从实验上观测到了经过RESET过程后纳米复合相变材料的非晶结构，发现再次非晶化之后的Si3.3Sb2Te3非晶材料仍然保持Si和Sb2Te3互相嵌套的纳米复合结构。.（3）第一性原理计算表明Si3.3Sb2Te3材料易发生Si元素的偏聚形成Si网格，同时这种Si网格在1000K的高温下仍然稳定，保持网格状存在，因此在该材料体系中非晶Si一旦发生偏聚形成网格之后是可以稳定存在的，将相变区域固定在纳米尺度的范围之内。.（4）Si-Sb2Te3在晶化前后一直呈现半导体态。霍尔效应测试结果表明，Si-Sb2Te3的载流子浓度会随退火温度升高而增加，尤其在晶化时会骤增，而Si-Sb2Te3的载流子迁移率基本不随退火温度变化。因此，Si-Sb2Te3晶化前后的电阻差异主要原因是载流子浓度的变化。另外，Si的掺杂会减小Si-Sb2Te3沉积态的载流子浓度并抑制载流子迁移率的增大，导致Si-Sb2Te3的沉积态电阻率大大降低，但是对晶态的载流子浓度影响不大，掺Si越多，Si-Sb2Te3晶态与沉积态的电阻值差异越大。.（5）透射XAFS技术对Si-Sb2Te3材料的Sb原子K边吸收谱进行了研究。研究发现，Si的掺杂会影响Sb2Te3的沉积态与晶态的局域结构，影响Sb与周围原子的成键与配位。