近日，我室研究生孙滔璐（第一作者）和王国祥研究员（通讯作者）在期刊Scripta Materialia上发表了题为“Thickness Scaling Unlocks Strain-Mediated Phase Separation and Near-Zero Drift in Sb2Se3 Films”的文章，文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2026.117415。

       相变材料因具备高速开关、长数据保持与低功耗等优势，被认为是高密度数据存储、神经形态计算和光子存储器件的关键功能材料。随着三维堆叠相变存储阵列的发展，器件微型化对纳米尺度相变薄膜的精准制备与性能调控提出了更高要求。然而，非晶态结构弛豫引发的电阻漂移会导致多级存储电阻态失稳，成为限制相变存储器规模化应用的核心瓶颈。现有掺杂和异质结构调控策略通常伴随工艺复杂或相变速度下降等问题，亟需发展简便高效的低漂移性能优化方法。

       Sb2Se3作为性能优异的共价键型相变材料，凭借稳定的Se-Sb共价键网络，拥有较高的结晶温度，天然具备抵抗结构弛豫、抑制电阻漂移的潜力，是低漂移相变存储器件的理想候选材料。但现阶段相关研究多集中于块体与厚膜体系，厚度低于50 nm的超薄Sb2Se3薄膜在纳米限域效应下的微观结构演变、电学性能变化规律尚未被系统阐明。

       针对以上问题，本团队采用薄膜厚度缩减这一简易可行的调控手段，系统探究了5-100 nm范围内Sb2Se3薄膜的微观结构演化规律与电阻漂移特性，结合原子分辨率透射电子显微表征与电学测试，揭示了厚度驱动的微观结构转变机制与电阻漂移抑制机理。

       研究表明，Sb2Se3薄膜的微观结构随厚度减小呈现三段式演变特征：厚度为50 nm及以上的厚膜由单相纳米块体构成，晶界处存在大量位错与晶格畸变，结构稳定性较差；当厚度降至20 nm时，薄膜转变为含有纳米孔洞的双相纳米片结构，在应力作用下发生相分离，形成Sb2Se3与单质Sb共存的复合体系，元素偏析、成核受限与应力放大形成循环作用，一定程度上抑制了电阻漂移；当薄膜厚度达到临界10 nm时，连通的纳米片进一步演变为嵌在连续非晶基体中的富Sb纳米岛结构，晶界处的纳米孔洞演变为应力适配的共格界面，位错密度与晶格畸变大幅降低，如图1所示。

图1.不同厚度Sb2Se3薄膜的 TEM 形貌及厚度驱动微观结构限域形核演变规律

       电学测试结果证实，薄膜电阻漂移系数随厚度变化呈现非单调变化趋势，如图2所示。100 nm厚膜的漂移系数为0.068，10 nm超薄薄膜实现0.001的超低电阻漂移系数，实现近零电阻漂移的优异性能。该低漂移特性归因于纳米限域效应构建的高稳定Sb-Se共价键网络，厚度诱导的界面约束作用显著抑制薄膜内部原子结构弛豫，对应的微观结构与元素分布证据如图3所示。当厚度进一步减小至5 nm时，薄膜表面占比大幅提升，表面Sb悬挂键易吸附氧气形成氧化物，引发结构劣化，电阻漂移系数回升至0.018。

图2. 不同厚度的Sb2Se3薄膜在50℃温度条件下电阻随时间(103秒)的变化曲线。

图3. 240 ℃退火后的10 nm Sb2Se3薄膜的微观结构与元素分布表征。(a) 明场透射电镜下的特征分布图；(b) HRTEM图像；(c) 图(b)选定区域放大的HRTEM图像；(d) HRTEM图像；(e) 图(d)选定区域放大的HRTEM图像，内插原子强度分布曲线；(f) 岛状晶粒中Sb和Se元素的EDX叠加面分布图。

       微观机理分析显示，厚度调控可同步实现缺陷自修复与相分离精准调控。纳米尺度限域作用重塑了薄膜内部原子排布与界面状态，一方面阻断缺陷加剧路径，另一方面平衡界面效应与原子迁移能力，最终构建出“非晶基体 + 富Sb纳米岛”的稳定微观构型。元素分布表征证明，薄膜内部无明显元素偏析，10 nm薄膜中晶畴区域呈富Sb特征，非晶区域保持接近化学计量比的Sb2Se3组分，两相协同作用进一步强化了结构稳定性。

       该工作完整阐明了超薄Sb2Se3相变薄膜中厚度、微观结构与电阻漂移之间的构效关系，揭示了限域形核诱导的微结构演变，抑制结构弛豫的全新机制，证实依靠厚度调控可实现缺陷调控与性能优化。为开发亚10 nm尺度、长循环寿命、近零漂移的高性能相变存储薄膜提供了全新思路与可规模化的技术方案。此次研究成果为硫系相变薄膜的微观结构设计、性能定向调控提供了普适理论依据与实验支撑，有力推动下一代低功耗微电子存储器件的技术迭代。