近日，我室研究生冷文豪（第一作者）和指导老师陈益敏、沈祥研究员（共同通讯作者）在Applied Physics Letters上在线发表了题为“Crystallization kinetics of monatomic antimony”的论文（2021，119：171908，IF=3.791）。

       相变存储器因其具有非易失性、高速、低功耗、高集成度等特点，被认为是最重要的下一代非挥发性存储器之一。近来，基于传统相变材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）的相变神经元被开发用于人工神经网络进行深度学习和复杂计算。然而，GST在长期SET/RESET的循环操作过程中存在明显的元素电迁移现象，从而导致成分偏析，最终造成器件失效。Salinga等人曾报道一种基于爆发性结晶行为的单质元素锑（Sb）的超薄薄膜（<10nm）可作为无成分偏析的相变材料，但其热稳定性极差，数据只能在室温下保持几十个小时，严重阻碍其实际应用。据此，本研究开展具有良好热稳定性的“原子层级”Sb薄膜制备及其结晶动力学研究。通过精准调控磁控溅射参数，制备获得仅有3nm厚度的高质量二维受限Sb相变薄膜，发现其非晶态热稳定性得到显著提高，结晶温度为453 K，结晶活化能为2.68 eV，十年数据保持温度为361 K（结果如图1所示），上述性能都略优于GST。随后，引入介电层SiO₂制备获得[Sb（3nm）/SiO₂（5nm）]₃₂多层复合周期薄膜，结合闪速DSC以及广义Mauro-Yue-Ellison-Gupta-Allan粘度模型对该二维受限Sb薄膜进行结晶动力学研究，发现在大幅提升热稳定性的前提下，二维受限Sb薄膜仍具有快速结晶能力（在0.87T_m处具有最大结晶速率2.17 m s^-1，结果如图2所示），且其过冷液脆度为90，Stokes-Einstein解耦系数为0.63，上述结果都与GST相似。也就是说，通过二维受限制备获得“原子层级”的无成分偏析的Sb薄膜，具有与典型GST材料相似的结晶动力学行为，表明该材料可用于制备高速、高集成度、高循环特性的“三高”相变存储器，这也为单质元素用于相变存储提供了新思路。

图1.不同厚度Sb薄膜的(a)方块电阻与温度的依赖曲线，(b)十年数据保持能力。

图2. 二维受限Sb材料的(a) Angell图和(b)结晶生长速率与温度的依赖曲线。