随着大数据、人工智能、云计算和5G等技术的迅速崛起，全球数据圈以惊人速度增长，对存储器存储密度提出新挑战。基于相变材料的相变存储器因具有操作速度快、寿命长、存储密度高以及非易失性等优点，被认为是革新现有存储技术的替代者之一。鉴此，掌握相变材料亚稳态结晶行为及结构特点，对实现多级数据存储应用显得尤为重要。本课题组相变材料研发团队通过原位TEM实时观测ZnSb基多态薄膜结晶并研究其微结构变化的信息特征，理清性能改进与微结构演变间依赖关系，利用介质材料ZnO和Al₂O₃对相变材料ZnSb进行了适量掺杂，研究其对ZnSb材料中非晶相、亚稳相和稳相析出行为的影响。研究表明热处理后ZnSb-Al₂O₃薄膜呈两步析晶过程，首先是非晶到ZnSb亚稳相，然后从ZnSb亚稳相转变到ZnSb稳相。对于ZnSb-ZnO薄膜，当ZnO掺杂含量达到12.3at%，亚稳ZnSb相被抑制，仅析出了ZnSb稳相。当同是亚稳相析出时，ZnSb-Al₂O₃的亚稳颗粒达到100nm，而ZnSb-ZnO亚稳颗粒没有明显变化。微结构表征显示异质复合结构中ZnO颗粒有效包裹了亚稳ZnSb相，形成了自我约束受控生长如图1(a)的I 和II区域。正是基于该独特的结晶行为改善了薄膜的非晶热稳定性，十年数据保持能力高达229.2℃(图1(b)) （Crystal Growth & Design, 2019, 19 (2), 1356–1363.）。此外，通过利用金属Sn改良ZnSb结晶性能，发现其有助于降低结晶温度且表现出不一样的两步析晶模式。其受热析出不同的晶相，首先从非晶转变为亚稳SnSb相，随后转变为稳相 ZnSb₂Sn，如图1(c)（Ceramics International 45 (2019) 16442–16449）。

图2 (a) ZnSb-ZnO的高角环形暗场像图；(b)十年数据保持力；（c）Sn-Zn-Sb的X射线衍射图

      通过研究重金属硫化物In₂S₃改良多态Ge₂Sb₂Te₅薄膜，发现其存在无序度调控的金属-绝缘转变行为，结合组分变化与退火温度可扩宽亚稳态电阻存在的温度范围如图2（Ceramics International，2019 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.116），为优化异质结构相变材料在多级相变存储器中应用提供了新实验数据和研究思路。

图 2 GST和In₂S₃掺杂的GST薄膜金属-绝缘转变行为