采用超晶格结构实现C过量掺杂Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)材料的相变性能研究

研究了C过量掺杂Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)(GST)相变材料的相变特性与微观结构,制备了一系列包含周期性2 nm C薄膜与GST薄膜的超晶格结构复合相变薄膜材料.研究发现,相变材料的相变性能与GST的厚度有较强的依赖关系,反映出C掺杂比例对GST相变性能的影响.随着GST厚度的逐渐降低,高温下C的自发扩散导致GST的掺杂效应逐渐增强,超晶格体系的非晶—晶态相变逐渐被抑制.在此结构中,过量的C掺杂导致体系越来越难以发生相变,甚至失去相变特性.同时,由于C-Ge、C-Sb和C-Te键不稳定,多次可逆的非晶—晶态转变后体系将同时出现未掺杂的GST成分与C掺杂的GST的成分,因此有可能出现稳定的三相.最后,制备了基于[GST(8nm)/C(2nm)]5相变薄膜的相变存储器件,器件的测试结果证实体系能够出现稳定的三电阻态.

基于Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)相变材料的可调谐近红外光学超构表面吸收器

为了实现红外吸收波长的主动调控,提出一种Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)(GST)相变材料的可调谐金属/介质/金属(MDM)型近红外光学超构表面吸收器。首先,采用时域有限差分(FDTD)法对器件的吸收性能进行仿真分析;然后,根据电场分布特点分析了吸收器等离子体震荡吸收的物理机制。仿真结果表明:当改变GST的晶化分数时,所提吸收器实现了吸收峰中心位置从1.17μm偏移到1.8μm,偏移宽度为630 nm,吸收器在通信波长为1.55μm时可以实现高-低吸收率的转换。

C掺杂Sb_(2)Te_(3)高速相变材料

Sb_(2)Te_(3)材料是一种具有快速相变特性的硫系化合物材料,但其热稳定性较差,高、低阻态之间的阻值差异小,不适宜制备相变存储器件。为解决Sb_(2)Te_(3)材料的高、低阻态的阻值差异小,热稳定性差的问题,提出对Sb_(2)Te_(3)材料进行碳(C)掺杂改性。试验制备了基于C掺杂Sb_(2)Te_(3)材料(C-Sb_(2)Te_(3))的高速相变存储器件,并分析了氢(H)等离子体处理加热电极对相变存储器件性能的影响。基于C-Sb_(2)Te_(3)材料制备的相变存储器件的高、低阻态阻值比达两个数量级,器件的擦写循环次数达10^(5)次;分析氢(H)等离子体处理对器件性能的影响,加热电极经过H等离子体处理的相变存储器件高、低阻态的阻值稳定。研究表明:掺杂C使得Sb_(2)Te_(3)材料的结晶温度上升、晶粒细化;使用C掺杂Sb_(2)Te_(3)材料制备相变存储器件,并进行H等离子体处理,可得到一种具有热稳定性高、阻值稳定、能多次循环擦写的高速相变存储器件。

锑碲合金Sb_(2)Te_(3)的异相同质结构设计

半导体锑碲合金Sb_(2)Te_(3)是实现高性能相变存储与类脑计算的一种关键母体材料,其亚稳态立方相具有占格点高达1/6以上且随机分布的空位,具备安德森绝缘体性质.而Sb_(2)Te_(3)的稳态结构为菱方六角相,是一种典型的强拓扑绝缘体材料.但由于六角相Sb_(2)Te_(3)存在自发掺杂行为,其体相通常呈金属性而非绝缘性,从而掩盖了其拓扑非平庸的狄拉克表面态性质.本工作提出一种基于Sb_(2)Te_(3)的异相同质结构的新概念,原理上可同时利用该材料的拓扑性质与安德森绝缘性质从而实现超低损耗的电子输运.本文在分子束外延制备的六角相Sb_(2)Te_(3)薄膜中,利用透射电子显微镜中的聚焦电子束辐照驱动薄膜体相区域的六角相至立方相结构相变,并原位观察了空位无序化在其中起到的关键性作用.通过第一性原理计算,结果表明六角相Sb_(2)Te_(3)的能量随着空位层空位浓度的降低而快速上升,在空位浓度减小至50%~70%时触发原子堆垛迁移,从而形成立方相结构.临界空位浓度的大小主要受沿空位层垂直方向压应力的影响.结合实验与计算结果,本文证实了Sb_(2)Te_(3)异相同质结构的界面附近不存在明显的晶格错配,为后续制备Sb_(2)Te_(3)异相同质结构宏观样品,以及探索拓扑物理与安德森电子局域化之间的相互作用提供了指导.

通过高长宽比横向结构的设计提升基于Ge2Sb2Te5材料的相变存储器的多值存储能力

如何进一步提高存储密度是相变存储(PCM)应用于存储级内存(SCM)的关键挑战.然而,相变存储器主要通过尺寸微缩和多值操作来提高存储密度,往往面临严重的热串扰和相分离问题.为此,我们提出了一种高长宽比(25:1)的横向纳米线器件,该器件采用传统的硫系化合物Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)就可以实现稳定的多值操作,并且器件具有较好的一致性以及较低的电阻漂移系数(0.009),其优异的多值性能主要是由于在设计的高长宽比结构中,绝缘层侧壁的限制使得相变材料的非晶区域可以精确控制,这也被透射电子显微镜分析证实.本文设计的纳米线器件为提升高深宽比三维相变存储器的多值存储能力提供了重要指导.

自旋依赖强度可调谐的相变超构透镜

超表面是一种基于亚波长各向异性单元结构的超薄平面光学器件,能够在微观尺度下调制电磁波相位、偏振和振幅等,从而实现波前的任意调控。超构透镜作为超表面走向实用化的重要代表,凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点,引起了研究学者的极大兴趣。然而,已报道的超构透镜受限于相位分布设计,难以同时实现偏振复用及强度可调谐聚焦功能;且结构一旦确定,其电磁性能就被锁定,在灵活调制电磁波方面受到很大限制。为此,文中从各向异性单元结构的设计和优化入手,协同PB相位和传输相位,设计了两种能够在不同空间取向(横向和纵向)上实现自旋分裂的Ge_(2)Sb2Se_(4)Te_(1)(GSST)相变超构透镜。通过改变入射圆偏振光的椭偏度,两超构透镜均可实现强度可调谐聚焦性能;通过调控相变材料Ge_(2)Sb2Se_(4)Te_(1)从非晶态逐渐转变为结晶态,两超构透镜均可实现聚焦性能的连续调谐并最终达到“ON”和“OFF”的动态切换。所设计的自旋依赖强度可调谐相变超构透镜有望在多成像系统、机器视觉和显微成像等领域发挥重要作用。