近日，我室相变团队的王国祥副研究员在国际著名的自然指数期刊Appl. Phys. Lett. 119, 011601 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0054392上发表题为“Crystallization mechanism and switching behavior of In-S-Sb phase change thin film”的最新研究成果。

       众所周知，当存储单元尺寸越来越小，相变材料局部组分的改变对器件性能的影响越严重，容易导致器件功能退化。基于玻璃态金属锑的新型单元素相变存储器，解决了传统多元素相变存储器局部组分变化问题，为进一步缩小相变存储器尺寸、增大存储密度奠定了基础。但制备出的无定型锑稳定性较差，在20°C温度下也仅能稳定存在大约51个小时。

       本研究工作中研究人员集中关注具有高热稳定性的重金属硫化物In₂S₃与单元素Sb材料在纳米尺度下均匀复合，通过调控其组分，实现Sb相变薄膜非晶热稳定性提升，十年数据保持力高达163.3℃如图1。通过热处理工艺调控不同In₂S₃掺杂浓度下的光学特性，发现其光学带隙与组分之间呈线性增加关系。

图1 In2S3掺杂Sb薄膜的方块电阻与温度的依赖关系

图2 STEM显微结构图（左）Sb_53.3(In₂S₃)_46.7 （右）Sb_30.9(In₂S₃)_69.1

        STEM显微结构如图2表明在Sb_53.3(In₂S₃)_46.7和Sb_30.9(In₂S₃)_69.1材料之间存在较大的晶化差异，Sb_53.3(In₂S₃)_46.7薄膜的结晶归因于结晶过程中Sb纳米晶的连续可控析出，形成非晶/晶相界诱导的纳米复合相分离机制。而Sb_30.9(In₂S₃)_69.1材料的结晶特性源于扩散控制的In-S/In-S-Sb界面形成，其类似“n-p”异质结调控电输运特性，将载流子浓度降至 280℃ 时的 7.42×10²⁰ cm^-3，为探索同时具备载流子长自由程和高态密度的新材料体系奠定基础。本文创新性设计了一种由元素扩散驱动相位变化的异质结Sb/In₂S₃，通过施加正偏置电压设置单元将结构从高电阻状态（HRS）切换到低电阻状态（LRS），并且可以通过施加负偏置电压设置单元，将结构从LRS重置为HRS，使得Sb_30.9(In₂S₃)_69.1材料表现出类似GST的双极转换特性，实现可靠的SET和迭代复位RESET操作，有望应用于通用型多级存储器及人工神经形态突触器件。