近日，我室研究生朱晋毅（第一作者）与焦玉成（第一作者）在导师王国祥特聘研究员（通讯作者）指导下分别在Ceramics International 和Journal of Alloys and Compounds期刊上发表了题为“Monatomic Sb thin films alloyed with Sb2S3 enables superior thermal stability and resistance drift by spontaneous self-decomposition” (2023, 49(12)：19960-19965. IF= 5.532.)和“Designing Sb phase change materials by alloying with Ga2S3 towards high thermal stability and low resistance drift by bond reconfigurations” (2023, 953：169970. IF=6.371.)的论文。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.03.117 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169970

       基于非易失性相变存储器（PCM）的人工突触器件制备工艺相对成熟、在存储器领域表现出高耐受性、高数据保持性、易于大规模互连集成、与CMOS电路兼容等诸多优势在类脑神经芯片中备受青睐。然而，PCM器件的SET操作（结晶）和RESET操作（非晶化）会导致大的电阻波动，并且在室温下存在电阻漂移现象，影响了突触器件的精度和稳定性。纯Sb薄膜具有单一元素组成、快速结晶、非晶态和晶态之间电阻对比大等优点，并且4纳米厚的纯Sb薄膜表现出低漂移系数（v=~0.003）。然而，由于其爆炸性的结晶机制，纯Sb薄膜很难达到稳定的非晶态。这个问题限制了Sb薄膜在多级数据存储设备中的应用。因此，探索材料调控Sb基相变神经元基质材料，提升薄膜的热稳定性并且减少电阻漂移系数，有利于为高性能神经元计算芯片的研发做出贡献。

       本研究工作，利用Sb₂S₃和Ga₂S₃改善了Sb的热稳定性及电阻漂移性能，解决了结晶速率与热稳定性相矛盾的缺陷。在图1中，可以发现Sb₂S₃和Ga₂S₃使得Sb薄膜的热稳定性大幅度提高，最高结晶温度增幅到250℃，并且十年数据保持温度达到166℃，提高了薄膜长期使用的稳定性，完全适用于消费性电子产品等。图1 (c,f)展示了Sb2S3和Ga2S3大幅度降低了Sb薄膜的电阻漂移系数，最低可达到0.0014，显著降低了薄膜发生自发结构弛豫的现象，提高了多次读写操作后的信息读取精度。在结晶动力学实验中(图2)，测试出其平均结晶动力学指数为0.625，属于一维生长型结晶机制，具有更快的结晶速率。TEM图显示出为Sb及Sb2S3混合纳米结构，使得薄膜产生自组装亚稳分解过程并限制晶粒生长，所以单元素Sb的稳定性可以得到加强。根据EDX，蓝色和红色区域的成分是不均匀的。分布在蓝色区域的主要元素是97.5 at. %的Sb和2.5 at. %的S，而在红色区域的主要元素是67.8 at. %的Sb和32.2 at. %的S。这种明显的组分波动意味着富含Sb的Sb-S薄膜进行自发的自我分解并显示出纳米限域效应，从而提高了Sb的热稳定性。

图1(a,d)纯Sb、Sb₂S₃、Sb_x(Sb₂S₃)_100-x、Sb_x(Ga₂S₃)_100-x和GST薄膜的电阻与温度的关系; (b,e) Sb_x(Sb₂S₃)_100-x、Sb_x(Ga₂S₃)_100-x薄膜的失效时间与温度倒数的关系图; (c,f) Sb₂S₃、Sb_x(Sb₂S₃)_100-x、Sb_x(Ga₂S₃)_100-x和GST薄膜电阻与时间的关系

图2 (a) Sb₆₄(Ga₂S₃)₃₆在升温速率从10到50℃/min时的电阻温度变化曲线，其中插图是230到270℃范围内的电阻温度变化曲线;(b)反映薄膜结晶程度的结晶度分数(X)变化曲线;(c)用Ozawa拟合表征结晶行为的结晶动力学指数n;(d)结晶动力学指数n在241~255℃之间的变化曲线

图3 (a) 250℃退火的Sb_71.2(Sb₂S₃)_28.8薄膜的SAED图案和 (b) BF-TEM图像;(c) 取自(b)放大后的BF-TEM图像晶体以及取自(c)的选定三个区域1-3(d-f)的HRTEM图像;(g) 250℃退火后的Sb_71.2(Sb₂S₃)_28.8薄膜的BF-TEM图像;(h)-(i) 相应的EDX元素分布图，绿色为S，黄色为Sb