近日，我室研究生焦玉成（第一作者），王国祥特聘研究员（通讯作者）在Ceramics International期刊发表了题为“Controllable single phase enables superior thermal stability in Sb-Sn-S films” (2024, 50 :4109–4114. IF=5.532)的论文。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.11.188。

       Ge₂Sb₂Te₅（GST）作为传统的相变存储材料在商业PCM设备中最常被利用。但由于其以成核为主的结晶模式，导致设备的读写速度较慢（~100ns）。其结晶温度（~168℃）和十年数据保持温度（~80℃）也不满足其长时间应用在电子设备中。虽然可以通过掺杂其他元素来提高GST的热稳定性，但仍不能解决其最关键的元素偏析问题。成分偏析导致了电阻的巨大波动，对于多阻态存储器来说，这会引起码间串扰现象，严重影响信息读取的准确性。

       单元素Sb相变材料，避免了多元素的组分偏析现象。但厚度~100nm的Sb热稳定性很差，在室温条件下就会发生爆炸性结晶现象。因此，探索调控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，采用磁控溅射法制备了Sb-Sn-S薄膜，研究了SnS含量对Sb薄膜宏观性能和微观结构的影响。结果表明，Sb₅₅(SnS)₄₅具有最佳性能，其结晶温度达到210℃，解决了Sb自发结晶问题。然而，Sb₃₇(SnS)₆₃薄膜的热稳定性不再有明显的提高。结晶模式研究表明，Sb₅₅(SnS)₄₅具有生长主导型的结晶行为，在保持较高结晶速率的同时显著提高了热稳定性。在微观结构上，形成了高结合能的Sb-S键和Sb-Sn键，打破了原本不稳定的Sb-Sb键。而在Sb₃₇(SnS)₆₃中，Sb-S和Sb-Sn键的内部成键环境达到饱和状态，过量的SnS引入导致Sb-Sn-S非晶合金的堆积排列，导致晶格畸变。因此，通过调控适量的Sb-Sn-S非晶态合金，有利于抑制SbSn晶粒生长以及元素的偏析，从而提高了相变薄膜长期使用的稳定性。

图1(a) Sb、SnS、和Sb_x(SnS)_100-x薄膜的电阻与温度的关系; (b) Sb_x(SnS)_100-x薄膜的失效时间与温度导数的关系图

图2 (a) Sb₅₅(SnS)₄₅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200到260℃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202~216℃之间的变化曲线

图3 (a-c) 300℃退火Sb₅₅(SnS)₄₅相变薄膜的HRTEM和相应的SAED图;(d) STEM-HAADF图像;(e-g) EDX测量元素分布图Sb(黄色)、Sn(绿色)和S(红色)