锑基纳米复合相变材料过冷液脆度强-弱转变行为可控研究 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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锑基纳米复合相变材料过冷液脆度强-弱转变行为可控研究
作者: irglass 时间: 2022-06-10 浏览:416 次

       新型单元素相变存储器不仅具有组分简单可控,相态导电性差异明显,超低电阻漂移等优点,还解决了传统多元素相变存储器局部组分变化问题,有望直接应用于存内计算和类脑神经元计算等前沿技术领域。但目前基于玻璃态金属锑的新型单元素相变存储器需用超薄的纳米尺度工艺构建相变环境获得无定型锑,其在室温下非晶态数据仅能稳定存在约100秒,无法满足未来更高的数字信息存储需求,极大限制了新一代非易失性存储器发展。

       鉴于此,本室相变团队多年来致力于优化新型单元素相变存储器并探究其纳米尺度下高温高速晶化且低温数据非易失特性的物理本质(Applied Physics Letters, 119, 171908, 2021;Applied Physics Letters, 119,011601, 2021; Materials Today Physics, 22, 100584, 2022)。近日,我室研究生彭可欣(第一作者)和指导老师陈益敏博士、王国祥副研究员、沈祥研究员(共同通讯作者)在金属材料顶级期刊Acta Materialia上在线发表题为“Tailorable fragile-to-strong kinetics features of metal oxides nanocomposite phase-change antimony films”的论文(Acta Materialia,234, 118013,2022,IF=8.203,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118013)。

       该工作在单元素Sb中创新性引入了不同过冷液脆度(m)的介质材料如TiO2m>80)、ZnO(m>60)、GeO2m为22)可控制备了热稳定性相近的Sb62.1(TiO2)37.9 (STO)、Sb82.7(ZnO)17.3 (SZO)和Sb73.6(GeO2)26.4 (SGO)相变薄膜。发现晶化过程中介质材料可异质调控Sb相变过程,形成三维受限Sb和金属氧化物的纳米复合结构(如图1)。结合闪速DSC和广义Mauro-Yue-Ellison-Gupta-Allan粘度模型分析不同复合结构薄膜的结晶动力学过程(如图2),发现STO未有过冷夜脆度强-弱转变(FSC)现象,其过冷液脆度m高达101;SZO具有较弱的FSC现象,其FSC转变温度(Tfs)和转变幅度(f)分别为494 K和1.7;SGO则具备明显的FSC现象,其Tfsf分别高达536 K和2.3。可见,利用过冷液脆度不同的金属氧化物与Sb基体共存,可调控其结晶动力学FSC行为,克服了传统单元素Sb室温下会迅速结晶的难题,同时阐明了金属氧化物对单元素Sb近熔融温度下快速结晶能力和近玻璃转变温度下良好非晶态热稳定性协同提升的内在机理。

        本研究制备的纳米复合材料,究其本质,如SGO结构中显著的FSC现象,源于熔体中存在的液-液相变行为,在快冷过程中,过冷液体继承了存在竞争关系的强弱结构体,即一类是以类Peierls扭曲结构为主体的具有快速相变能力的短程有序团簇体(Sb),另一类是以强过冷液GeO2结构为主体的中程有序团簇体。如图3所示,晶化过程中强弱团簇相互竞争机制诱使高温处整体原子扩散速率快,粘度小的弱结构占主导地位;而低温处整体原子扩散速率慢,粘度大的强结构占主导地位。因而SGO过冷液体经过快速淬冷后,最终形成如图3(f)所示的纳米复合非晶结构。这一发现不仅为设计性能更为优良的新型无成分偏析相变材料提供了强大的理论依据,还为控制异质材料界面结构的二维乃至三维相变材料及存储器件发展提供新的思路。

图 1. Sb-MOs纳米复合材料的(a)XRD图,(b)XPS谱线图,(c)高分辨率透射图及其选取衍射图。(d)结晶态SGO薄膜的3D结构示意图。

图2. Sb-MOs薄膜的(a) Angell图和(b)粘度激活能与约化温度(Tg/T)的关系图。

图3. SGO过冷液体的结构演变图。SGO在温度(a)T Tm,(b)Tfs<T<Tm,(c)Tg<TTfs,(d)TTg时的过冷液体的结构图。(e)SGO过冷液体的Angell图和(f)非晶态SGO的3D结构示意图。