郝 艷，周細(xì)應(yīng)，杜玲玲，李 曉

(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201600)

1 引 言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，便攜數(shù)碼產(chǎn)品極大地豐富了我們的生活，用戶攜帶容量數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)大大增加，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求推動(dòng)著存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展。存儲(chǔ)器從最初的磁盤、光盤發(fā)展到如今的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的體積在不斷減小，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量卻實(shí)現(xiàn)了量級(jí)的提升。目前，閃存是半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)中的主流，但隨著器件尺寸的不斷減小，閃存有著不可逾越的技術(shù)瓶頸[1]。閃存尺寸的減小是以犧牲自身的數(shù)據(jù)保持力為代價(jià)的，且閃存的浮柵厚度并不能隨著器件尺寸的減小而不斷減薄。這一技術(shù)難點(diǎn)難以突破，商業(yè)需求無(wú)法得到滿足，許多大的半導(dǎo)體芯片廠商如Intel、Panasonic、Philips、Samsung、Ovonyx、Infineon等開始尋求新的出路[2-3]。相變存儲(chǔ)器，作為非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，憑借其循環(huán)壽命長(zhǎng)(1012次)、元件尺寸可納米化、讀寫高速、功耗低、熱穩(wěn)定好、抗干擾能力強(qiáng)(輻照、振動(dòng)、電子干擾)、耐高低溫(-55～125 ℃)、與現(xiàn)代集成電路工藝相兼容等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有可能取代目前主流存儲(chǔ)器而成為未來(lái)主流存儲(chǔ)器的產(chǎn)品[4]。相變存儲(chǔ)材料作為相變存儲(chǔ)器的核心部分，其性能的研究和開發(fā)是相變存儲(chǔ)器商業(yè)化重要突破點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于相變存儲(chǔ)材料的報(bào)道集中在Ge2Sb2Te5摻雜改性、新材料體系的開發(fā)及其摻雜改性等方面，大多側(cè)重于快速相變、降低運(yùn)行功耗等方面的研究，但未能揭示相變發(fā)生的微觀機(jī)理。隨著計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展，人們開發(fā)和利用材料的效率得到顯著提高，第一性原理計(jì)算是當(dāng)下計(jì)算材料科學(xué)中最常用的方法之一，它不僅可以提供材料改進(jìn)方案，還可以解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?，F(xiàn)階段，第一性原理已被應(yīng)用于相變存儲(chǔ)材料的研究，其中，分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)相變過(guò)程的模擬，促進(jìn)對(duì)相變過(guò)程的認(rèn)識(shí)，密度泛函可以用于對(duì)微觀結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。本文首先介紹了相變存儲(chǔ)材料研究現(xiàn)狀，繼而結(jié)合相變存儲(chǔ)材料的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展，討論相變機(jī)制的第一性原理計(jì)算在相變存儲(chǔ)材料中的應(yīng)用。

2 相變存儲(chǔ)材料

2.1 相變存儲(chǔ)材料工作原理

相變存儲(chǔ)材料是在電脈沖(熱量)作用下發(fā)生晶態(tài)(低阻)和非晶態(tài)(高阻)相互轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)信息寫入與擦除的一種存儲(chǔ)介質(zhì)，它最早是基于1968年美國(guó)ECD公司的Ovshinsky發(fā)現(xiàn)硫系化合物的非晶態(tài)與結(jié)晶態(tài)在電場(chǎng)作用下彼此之間的可逆快速轉(zhuǎn)變，即所謂的Ovshinsky電子效應(yīng)[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)相變存儲(chǔ)材料的具體操作如下：

SET過(guò)程：對(duì)相變存儲(chǔ)材料施加一個(gè)作用時(shí)間較長(zhǎng)、強(qiáng)度中等的電脈沖，在脈沖作用區(qū)域內(nèi)處于非晶態(tài)的材料被加熱升溫至晶化溫度(Tg)以上、熔點(diǎn)(Tc)以下，材料從非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)，實(shí)現(xiàn)寫入(SET)操作。

RESET過(guò)程：對(duì)相變存儲(chǔ)材料施加一個(gè)強(qiáng)度較高但作用時(shí)間短促的電脈沖，使相變存儲(chǔ)材料被加熱升溫至熔點(diǎn)(Tc)以上，在熔化區(qū)域與周圍材料之間形成巨大的溫度梯度，產(chǎn)生很高的降溫速率(約為1010K/S)。由于脈沖的下降沿很短，熔化區(qū)域可以迅速降溫冷卻至晶化溫度(Tg)以下，從而避開晶化過(guò)程，由熔融態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦璧姆蔷B(tài)，實(shí)現(xiàn)擦除(RESET)操作。

READ過(guò)程：對(duì)處于晶態(tài)和非晶態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，則是通過(guò)施加一個(gè)很弱的電脈沖，控制相變材料在晶化溫度以下，以避免材料發(fā)生不必要的相變而破壞數(shù)據(jù)狀態(tài)，由于相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間的電阻差異高達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可通過(guò)得到的電流或電壓信號(hào)強(qiáng)度判斷材料的結(jié)晶狀態(tài)。

2.2 相變存儲(chǔ)材料性能要求

相變存儲(chǔ)材料作為相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)，其性能要求是由器件用途決定的，因此，研究和開發(fā)性能優(yōu)異的相變材料是發(fā)展相變存儲(chǔ)技術(shù)的主要內(nèi)容。為滿足相變存儲(chǔ)器的寫入、擦除、讀取等功能以及存儲(chǔ)信息的穩(wěn)定性、可循環(huán)使用等性能方面的要求，相變存儲(chǔ)材料需要綜合多方面的性能，表1為相變前后材料必須具備的特性。

表1 相變存儲(chǔ)器件性能與材料性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding performance between phase change memory devices and materials

2.3 相變存儲(chǔ)材料體系

目前相變存儲(chǔ)材料的主要元素組成分布于元素周期表的ⅢA至ⅥA族中，根據(jù)核外電子軌道分布的劃分，該區(qū)域?yàn)镻區(qū)，亦稱為半導(dǎo)體元素。核外電子分布相似決定了元素之間性質(zhì)的相近，相變存儲(chǔ)材料多從P區(qū)元素中選擇。在相變存儲(chǔ)材料的開發(fā)中，基于該區(qū)元素之間的不同組合以及組合元素之間的不同配比衍生出眾多相變存儲(chǔ)材料。上世紀(jì)60年代，Ovshisky[5]研究發(fā)現(xiàn)硫族化合物Te48As30Si12Ge10可以在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換，并提出該電學(xué)性質(zhì)差異可用于信息存儲(chǔ)。但該材料轉(zhuǎn)變時(shí)間處于微秒級(jí)別，用作信息存儲(chǔ)存在很大不足。受當(dāng)時(shí)工藝和材料的限制，該技術(shù)的發(fā)展緩慢。之后，就選材方面，做了很多嘗試研究，直至1987年，Yamada[6]發(fā)現(xiàn)GeTe-Sb2Te3偽二元體系連線上(圖1)的多種材料均具有快速轉(zhuǎn)變特性，轉(zhuǎn)變時(shí)間提升至百納秒級(jí)別，因此硫族元素(S、Se、Te)在相變存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用引起重視。此外，針對(duì)硫族元素的研究[7]發(fā)現(xiàn)，這些元素結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)之間電學(xué)性質(zhì)差異明顯，且熔點(diǎn)和熱擴(kuò)散性低。低熱擴(kuò)散性材料，在高能量加熱融化后粘滯系數(shù)高，易生成非晶態(tài)物質(zhì)，有利于相變特性的保持。以上研究激發(fā)了對(duì)Ge-Sb-Te相變合金體系及其摻雜改性的持續(xù)開發(fā)和研究。

伴隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的快速發(fā)展以及市場(chǎng)對(duì)存儲(chǔ)器的迫切需求，Ge-Sb-Te相變合金體系得到進(jìn)一步開發(fā)，硫族元素Te帶來(lái)的弊端也顯露出來(lái)。研究中[8]，Te元素的熔點(diǎn)低，蒸汽壓高，在高溫下易揮發(fā)擴(kuò)散。Te元素的擴(kuò)散導(dǎo)致相變材料和加熱電極的成分漂移，改變了相變材料的可逆相變性能和加熱電極的加熱能力，最終給操作可靠性和疲勞特性帶來(lái)負(fù)面影響。同時(shí)，硫族元素的毒性，也會(huì)給人體和環(huán)境帶來(lái)不良影響，不宜大規(guī)模投入量產(chǎn)。因此，開發(fā)無(wú)硫族元素的新型相變材料體系是相變存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的新思路。

2.3.1 Ge-Sb-Te體系及其摻雜改性

在偽二元體系研究中，研究者對(duì)不同組分配比的GeTe-Sb2Te3，如Ge2Sb2Te5，GeSb2Te4和GeSb4Te7等Ge-Sb-Te系相變存儲(chǔ)材料均進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比研究。研究表明，Ge2Sb2Te5(GST)的相變速度慢于GeSb2Te4和GeSb4Te7，但GeSb2Te4和GeSb4Te7的結(jié)晶溫度分別為120 ℃和110 ℃[9-10]，相比GST的結(jié)晶溫度(150 ℃)[11]低很多，結(jié)晶溫度與非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性密切相關(guān)，將直接影響材料在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。同時(shí)，Sanchez等[12]研究表明在三元相圖中(圖1)向高Ge方向移動(dòng)時(shí)，結(jié)晶溫度會(huì)逐漸升高，驗(yàn)證了GST結(jié)晶溫度較高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，Sanchez等研究表明，Ge含量高時(shí)，非晶態(tài)和晶態(tài)電阻率也有所增大，有利于數(shù)據(jù)的保持，進(jìn)一步表明GST性能的可開發(fā)性。

圖1 Ge-Sb-Te三元合金相圖[12]Fig.1 Ge-Sb-Te ternary alloy phase diagram[12]

研究表明[13-14](圖2)，GST的結(jié)晶過(guò)程分兩步完成，首先150 ℃時(shí)從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)的面心立方結(jié)構(gòu)，溫度升高至360 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)密排六方結(jié)構(gòu)，如圖2中所示，非晶態(tài)到穩(wěn)態(tài)過(guò)程，薄膜電阻相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，其中晶化速度達(dá)到幾十ns，非晶化速度為幾百ps[15]。該材料的十年數(shù)據(jù)保持溫度約為85 ℃[16]，其最大可逆循環(huán)次數(shù)高達(dá)1012次[17]。另外，Njorge等[18]研究表明，Ge-Sb-Te結(jié)晶過(guò)程伴隨著薄膜密度的變化，這一變化將導(dǎo)致相變前后體積的改變，多次循環(huán)之后會(huì)影響與電極的接觸。結(jié)果還表明晶化速率隨著薄膜厚度的減薄而變慢。GST優(yōu)良的可逆相變特性可以滿足相變存儲(chǔ)技術(shù)的基本要求，但是要用于大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)，其一些缺點(diǎn)也同樣明顯，例如其結(jié)晶溫度較低，導(dǎo)致非晶態(tài)受熱干擾能力差，因此在數(shù)據(jù)保持能力方面亟待提高。此外，提升擦寫次數(shù)、加快結(jié)晶速度、提升晶態(tài)電阻率等性能提升均有利于相變存儲(chǔ)材料的商業(yè)化應(yīng)用。

圖2 Ge2Sb2Te5薄膜電阻隨溫度變化曲線[13]Fig.2 Temperautre dependence of the resietence of the Ge2Sb2Te5 thin film[13]

元素?fù)诫s是提高材料性能的常見方法，在Ge-Sb-Te體系中，摻N[19-20]、O[21-22]，可提高薄膜的結(jié)晶溫度，細(xì)化晶粒，提高薄膜的晶態(tài)電阻率，抑制面心立方相向密排六方相的轉(zhuǎn)移。摻Si[23]可以在薄膜中形成較強(qiáng)的共價(jià)鍵，抑制Ge、Sb、Te原子擴(kuò)散，提高晶態(tài)電阻率，降低器件能耗。而Feng等[24]通過(guò)差示掃描量熱分析(DCS)發(fā)現(xiàn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)中富Si相的存在，且模擬研究表明富Si相電阻率較高，有效降低能耗。Sn摻雜能提高結(jié)晶速度，Kojima等[25]認(rèn)為Sn增加薄膜中的形核點(diǎn)，以降低結(jié)晶時(shí)間，而Wang等[26]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Sn使GST激活能降低，結(jié)晶需要的能量更小，從而加快結(jié)晶速度。少于1%的Mo摻雜[27]能夠細(xì)化晶粒，抑制相分離，提升擦寫次數(shù)與讀取的靈敏度。

2.3.2 新型相變存儲(chǔ)材料

新型相變存儲(chǔ)材料的原料選擇將決定未來(lái)消費(fèi)電子的發(fā)展空間，無(wú)Te富Sb型相變存儲(chǔ)材料在原料選取上符合環(huán)保要求，有利于新型相變存儲(chǔ)材料的可持續(xù)發(fā)展，如GeSb、SiSb等。新型無(wú)Te富Sb相變存儲(chǔ)材料在保留快速相變特性的基礎(chǔ)上，熱穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)保持力等性能均有所提高。

(1)GeSb相變存儲(chǔ)材料

GeSb[28-29]相變存儲(chǔ)材料的相變速度快，其晶化速率可達(dá)5 ns，超薄厚度下依然保持良好的存儲(chǔ)性能。Se摻雜[30]可以提高Ge10Sb90的晶態(tài)電阻和結(jié)晶溫度，降低操作電流，提高材料的熱穩(wěn)定性。研究指出[31]，N、O摻雜的GeSb9薄膜降低了工作電流，保留了快速相變特性，且非晶態(tài)相具有良好的熱穩(wěn)定性。

(2)SiSb相變存儲(chǔ)材料

SixSb100-x材料體系[32]有以下優(yōu)點(diǎn)：有著卓越的數(shù)據(jù)保持能力，與GST材料相比，110 ℃下，Si10Sb90的數(shù)據(jù)保存時(shí)間為GST的1000倍；相變前后密度變化遠(yuǎn)小于GST；無(wú)Te的SixSb100-x材料不易發(fā)生擴(kuò)散，保證了材料的穩(wěn)定性、可靠性。

3 第一性原理用于相變存儲(chǔ)材料相變機(jī)制的的研究

材料的相變特性是相變存儲(chǔ)技術(shù)的核心，相變存儲(chǔ)材料的相變行為是決定相變存儲(chǔ)材料性能的關(guān)鍵因素。換句話說(shuō)，如何控制材料的相變行為制約著相變存儲(chǔ)材料的進(jìn)一步研究與應(yīng)用，而理解材料的相變機(jī)制是控制、利用相變行為的基礎(chǔ)。就材料而言，影響材料相變機(jī)制的根本原因是其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征(晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu))以及兩者之間的快速可逆轉(zhuǎn)變。

伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代測(cè)試分析方法的發(fā)展，如今的高分辨率透射電子顯微鏡可以直接觀察晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此對(duì)相變存儲(chǔ)材料晶態(tài)的理解研究相對(duì)深入、完善。一方面，針對(duì)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征，表征技術(shù)相對(duì)滯后，造成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)缺乏更為直觀的認(rèn)識(shí)；另一方面，對(duì)相變過(guò)程的探測(cè)難以到達(dá)，使得相變機(jī)制這一核心問(wèn)題難以得到正確的認(rèn)識(shí)，而利用第一性原理計(jì)算可以有效的幫助研究者理解快速相變機(jī)制。通過(guò)計(jì)算對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，使體系的微觀結(jié)構(gòu)、相變特性更加接近真實(shí)值，此外，將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。因此，第一性原理計(jì)算是模擬相變存儲(chǔ)材料微觀結(jié)構(gòu)變化與研究相變機(jī)制的有力工具。

3.1 第一性原理理論發(fā)展

第一性原理計(jì)算(First Principle)從廣義上來(lái)說(shuō)是指一切建立在量子力學(xué)原理基礎(chǔ)上的計(jì)算方法，而薛定諤方程是量子力學(xué)的一個(gè)基本假設(shè)，其正確性和實(shí)用性已經(jīng)得到了諸多的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第一性原理的主要思想就是求解薛定諤方程，求出本征值和本征函數(shù)，從而可以確定體系的所有性質(zhì)。理論上，運(yùn)用量子力學(xué)原理理論，從原子核和電子相互作用的原理及其基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā)，借助普朗克常量、電子質(zhì)量、電子電荷、光速和波爾茲曼常數(shù)五個(gè)基本物理量，直接求解薛定諤方程，即可得到最基本的原子、電子層次計(jì)算體系的微觀及宏觀性質(zhì)，從而深入地理解研究體系的內(nèi)在聯(lián)系[33-34]。

在凝聚態(tài)計(jì)算中，龐大的粒子數(shù)目給方程求解帶來(lái)了問(wèn)題，為盡可能的精確求解，需要對(duì)凝聚態(tài)體系作近似處理。Born-Oppenheimer近似，又稱絕熱近似，由于原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，外界作用下，電子的響應(yīng)速度將遠(yuǎn)快于原子核，相對(duì)電子的高速運(yùn)動(dòng)，原子核相對(duì)靜止，故將原子核與電子的運(yùn)動(dòng)分開作近似處理。除原子核與電子之間的相互作用外，電子間也存在相互作用，Hartree-Fock將電子間的作用看作均勻分布的平均勢(shì)場(chǎng)，是一種單電子近似，雖然考慮了自旋平行電子間的交換關(guān)聯(lián)作用，但忽視了自旋反平行電子。以上都是為求解具體波函數(shù)進(jìn)行的一些近似處理，其限制了薛定諤方程求解的精度。隨后Walter Kohn提出密度泛函理論(Density Functional Theory，DFT)，用電子密度描述基態(tài)物理性質(zhì)，取代具體波函數(shù)的求解，有效解決多體薛定諤方程的求解，促進(jìn)了第一性原理計(jì)算的應(yīng)用研究。目前，DFT已用于相變存儲(chǔ)材料的研究，包括局部成鍵情況、電子結(jié)構(gòu)，以及模擬相變過(guò)程探究相變機(jī)理[35]。

3.2 相變存儲(chǔ)材料相變機(jī)制研究現(xiàn)狀

圖3 Ge2Sb2Te5亞穩(wěn)面心立方結(jié)構(gòu)[36]Fig.3 Ge2Sb2Te5 metastable face-centered cubic structure[36]

Ge2Sb2Te5在相變過(guò)程中存在兩種晶態(tài)：亞穩(wěn)態(tài)的面心立方(fcc)和穩(wěn)態(tài)的密排六方(hex)結(jié)構(gòu)，工作狀態(tài)下，亞穩(wěn)態(tài)的面心立方結(jié)構(gòu)居多，對(duì)該晶體結(jié)構(gòu)的研究也較多。研究指出[36]，亞穩(wěn)態(tài)的面心立方實(shí)際上是由兩套面心立方組合而成，又稱巖鹽礦(rock-salt)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，Te原子占據(jù)一套，Ge、Sb和20%的空位占據(jù)另外一套。而對(duì)于非晶態(tài)GST的結(jié)構(gòu)暫無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，部分研究者認(rèn)為，相變存儲(chǔ)材料的非晶態(tài)與晶態(tài)結(jié)構(gòu)大體相似，這是快速相變的保證。在以往對(duì)非晶GST建立的模型中，Kolobov[37]傘型跳躍模型頗受關(guān)注，利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)方法研究得出：發(fā)生相變時(shí)，Ge原子在四面體與八面體結(jié)構(gòu)中跳躍，原子移動(dòng)距離短，所以相變速度快。Caravati等[38]利用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)構(gòu)建了非晶GST結(jié)構(gòu)模型，與Kolobov的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，研究指出33%Ge原子處于四面體結(jié)構(gòu)中，部分Ge原子存在于殘缺的八面體結(jié)構(gòu)中，同極性的Ge-Ge/Sb反常鍵是Ge原子跳躍的原因。Liu等[39]的第一性原理計(jì)算表明，35%的Ge原子向四面體結(jié)構(gòu)跳躍，而Ge原子附近的空位是Ge原子跳躍的推動(dòng)力。但Sen等[40]用125Te核磁共振譜研究得出，微晶GST中并不存在四面體結(jié)構(gòu)的Ge原子。在非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的研究過(guò)程中，除原子結(jié)構(gòu)研究外，還有許多關(guān)于局域結(jié)構(gòu)片段的模型研究。Caravati等[38]在模擬GST非晶化的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)很多不規(guī)則的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，相變前后環(huán)的形狀基本保持不變。Akola等[41]的第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬認(rèn)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中存在大量四元環(huán)和空位，Hegedus等[42]得出相似結(jié)果，認(rèn)為四元環(huán)的存在決定了非晶態(tài)的快速晶化。

研究者還針對(duì)相變過(guò)程中的電子狀態(tài)、能量變化等方面進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。Wutting等[43]在對(duì)Ge1Sb2Te4電子特性研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，Te原子處于費(fèi)米能級(jí)，其電子態(tài)的變化引起了材料電子性質(zhì)的改變。Li等[44]的研究表明相變過(guò)程可以通過(guò)電子激發(fā)實(shí)現(xiàn)，Caravati[38]的研究結(jié)果與Li的研究結(jié)果不謀而合，他認(rèn)為GST的晶態(tài)與非晶態(tài)結(jié)構(gòu)之間不存在能量勢(shì)壘。

近年來(lái)，在對(duì)相變存儲(chǔ)材料相變機(jī)理的研究過(guò)程中，研究者嘗試在不同靜態(tài)結(jié)構(gòu)之間建立聯(lián)系，構(gòu)建相變機(jī)制模型，或嘗試用計(jì)算模擬的方法構(gòu)建理論的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化，以達(dá)到理解相變機(jī)制，控制相變行為的目的。但在快速相變這一過(guò)程中，其微觀結(jié)構(gòu)不斷變化，缺少實(shí)時(shí)捕捉微觀結(jié)構(gòu)的有力工具，這使得研究者無(wú)法對(duì)相變機(jī)制進(jìn)行更為直觀的理解，大大限制了該項(xiàng)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展。

4 結(jié) 論

相變存儲(chǔ)技術(shù)因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是最有潛力的存儲(chǔ)技術(shù)，可以取代閃存成為未來(lái)主流信息存儲(chǔ)技術(shù)，相變存儲(chǔ)材料的研究對(duì)相變存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展有著重要作用。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體制造工藝的成熟，相變存儲(chǔ)材料得到迅速發(fā)展，Ge-Sb-Te體系性能的研究不斷深入，新型相變存儲(chǔ)材料也逐漸開發(fā)出來(lái)，相變速度可達(dá)到納秒級(jí)別，熱穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)保持力均得到提高，但相變存儲(chǔ)材料的非晶結(jié)構(gòu)和可逆快速相變的機(jī)理尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。將第一性原理計(jì)算的理論模型配合實(shí)驗(yàn)研究共同進(jìn)行，一方面使相變動(dòng)態(tài)過(guò)程可以更加直觀，促進(jìn)對(duì)相變材料微觀結(jié)構(gòu)和相變機(jī)制的理解，另一方面可以極大促進(jìn)相變存儲(chǔ)材料的實(shí)驗(yàn)研發(fā)，推動(dòng)相變存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，所以，應(yīng)用第一性原理研究相變存儲(chǔ)材料微觀結(jié)構(gòu)及其相變機(jī)制，將成為相變存儲(chǔ)材料研究者的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。