Acta Mater.：非晶相变记忆Ge-Sb-Te合金中的强电子极化原子链

【引言】

相变存储器（PCM）是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的存储装置，其具备高速、高密度的特点。迄今为止，三元Ge-Sb-Te合金是应用中最受欢迎的PCM材料之一。a-GST（非晶Ge2Sb2Te5）中共价键的存在，应该是其结晶相的反射率差异的根本。

【成果简介】

近日，吉林大学的李贤斌副教授在Acta Mater.上发表了题为“Strong electron-polarized atom chain in amorphous phase-change memory Ge-Sb-Te alloy”的文章。文中描述，通过第一原理计算与电子结构分析，发现在非晶Ge₂Sb₂Te₅中，p轨道对齐的原子链在控制光电反射率方面能发挥重要作用。这些原子链可使非晶Ge₂Sb₂Te₅的电子态保持强电子极化，从而控制光学性能。

【图文导读】

图1. 由c-GST中心原子置换引起的电子密度分布变化（EDDC）

(a) 图示是岩盐结构c-GST（晶态Ge2Sb2Te5）的三维原子结构。两（001）面被选择作EDDC分析。红色对应于b和d中的EDDC。蓝色对应于（c）中的EDDC。

(b-d) 如图表示的EDDC由不同的位移触发。白色箭头表示中心原子的位移方向。箭头的起点代表中心原子。EDDC的正值表示密度的增加，负值表示密度的降低。电荷密度单位为e/ Å3。

图2. NaCl与c-GST的电子密度差变化（EDDC）比较

图中箭头表示中心原子运动的方向。EDDC的正值表示密度的增加，负值表示密度的降低。电荷密度单位为e /Å3。

图3. 非晶GST中原子链的电子极化率

(a) 表示a-GST（非晶Ge₂Sb₂Te₅）的3D原子结构。细线表示非晶态网络，原子链由球和粗线突出显示。

(b) 不同种类的原子链的比例。

(c) 不同原子链中各原子的百分比。

(d-g) a-GST中原子链的EDDC。

图4.经不同淬灭速率获得四种非晶GST模型的结构因子

Akola模型，4.3 K/ps；Bernasconi模型，38.3 K/ps；研究的 Sim1和Sim2分别为13.3 K/ps 、 30 K/ps。实验数据来自参考文献，并下调0.4的数值用于比较。

图5. a-GST，a-SST和a-CST模型的比较

(a) 键角分布。

(b) 原子链分布。

(c) a-GST，a-SST和a-CST模型的相对反射率。

【小结】

研究中，发现大量的3-原子链基序存在于a-GST中，通过第一原理计算和电子结构分析，认定3-原子链在电子性质方面是a-GST中的重要结构基序，且这些链中的电子可以是强极化的，这些特定结构可以引起更高的光学反射率。与传统的纯电子定位共价键相比，电子极化特性被证明与非晶PCM材料中的局部键合一起存在。实验研究中使用了一种称为电子密度分布变化（EDDC）的表征方法，用于定性分析热电材料中的电子极化。本次研究提供了对PCM材料中 “材料基因”的最新理解，这将有利于材料的设计和存储器件性能的提高。

文献链接：Strong electron-polarized atom chain in amorphous phase-change memory Ge-Sb-Te alloy (Acta Mater.,2017;Doi: 10.1016/j.actamat.2017.10.013）

本文由材料人编辑部新人组谢元林编译，陈炳旭审核。点我加入材料人编辑部。

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