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发布时间:2022-08-11 10:02:14 来源:乐鱼app下载网站 作者:乐鱼app下载网址

  原标题:吉林大学陈念科、李贤斌课题组PSS RRL: 相变信息存储材料的微观形核动力学:原子运动特征和结构-性质关联

  创新点:相变存储已广泛用于数据光盘存储,并被认为是下一代先进的非易失性存储技术,可用于存储级内存。一般,其数据记录是基于相变存储材料在晶态和非晶态之间的可逆相变来实现的。其中,从非晶态到晶态转变的再晶化受限于形核过程,是提升存储速度的核心制约因素。相变材料的微观形核过程已经有了很多的研究,考虑到形核的随机性,过去的研究主要采用统计分析的方法,揭示结晶过程中的关键结构单元和主要成键特征,例如四元环结构和p轨道电子成键等。本工作利用第一性原理分子动力学模拟,从单个原子运动行为的角度分析传统相变存储材料锗锑碲形核的微观过程,观察到形核过程中独特的原子“跃变”运动行为;并采用新的结构单元(即,线性原子链)来表征形核过程,与传统四元环结构单元相比,其与性质变化的匹配度更好,证明形成短程线性原子链可带来强的电子极化能力,从而显著改变材料的光电信号,实现数据存储功能。

  相变存储被已广泛用于数据光盘存储,并认为是将来替代闪存的下一代非易失性存储技术,可弥补目前计算机内存和存储之间的空隙,用于存储级内存(Storage Class Memory,SCM)。近年来相变随机存储器(PCRAM)逐渐商业化,例如基于3D-XPoint架构的Intel傲腾存储器。相变存储的基本原理是:相变材料的晶态和非晶态的电导率(或光反射率)差别巨大,可提供0/1二进制信号,通过两相之间的可逆相变来实现数据擦写过程。其中,从非晶态到晶态过渡的再结晶受限于形核过程,是提升存储速度的核心制约因素。目前最常用的相变材料锗锑碲合金的微观形核过程已经有了大量的研究,由于形核具有一定随机性,报道中的研究主要采用统计分析的方法,揭示结晶过程中的关键结构单元和主要成键特征,例如四元环结构和p轨道电子成键等。然而,对相变存储材料中结晶速度以及相变前后显著性质变化的理解仍有争议,需要从不同角度探索其中动力学过程,以澄清不同观点或启发新思路。

  吉林大学陈念科、李贤斌课题组通过基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法,模拟了典型相变存储材料锗锑碲合金的晶化形核过程。从单个原子运动行为的角度分析了该微观过程,研究人员观察到约有24%的原子在形核过程中发生了独特的快速“跃变”运动行为(图1)。追踪原子运动路径发现这类原子往往从一个亚稳定的四元环单元转移到另一个四元环单元上,表明这些四元环可以看作形核的种子单元,通过彼此间竞争形成最终的晶核。作者进一步提出采用线性原子链作为新的结构单元来表征形核过程(图2):形核过程伴随着线性原子链的形成和长度增加,最终形成长程有序晶体。与传统四元环结构单元相比,原子链结构的变化和材料性质的变化匹配度更好。一方面,说明线性原子链也可以作为描述形核过程的结构单元;另一方面,说明相变存储材料独特的成键特征:原子排列成线性链时,可显著提高电子的极化能力,从而改变材料的信号强度,实现数据存储功能。

  图2. 相变存储材料锗锑碲在晶化形核过程中线性原子链数量变化及信号强度(反射率)变化的关联分析。

  physica status solidi - Rapid Research Letters (简称 PSS -RRL) 旨在提供极快的出版速度,是目前固体物理和材料物理学领域最快的同行评审出版期刊之一。从投稿到第一轮编辑做决定之间的平均时间是11天,从接受到在线天。该期刊涵盖了诸如先进材料的制备、结构和模拟,固体材料、纳米材料和其它低维材料原子和电子结构、光学、磁性、超导、铁电性质的研究以及器件应用等主题。



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