德国亚琛大学《AFM》：相变材料中脆性到强化的转变！

相变材料（PCM）因其在高密度计算机存储器和基于神经形态计算的人工智能平台中的应用而引起了极大的兴趣。PCM 的操作需要通过液相在结晶相和非晶相之间切换。这三种物质状态（晶体、玻璃和液体）各自具有独特的物理特性，在当前和先进的 PCM 设备的运行中发挥着关键作用。无定形和结晶固相的独特物理特性使各种方案能够以稳健的非易失性形式编码信息，而过冷液相 (UCL) 相的粘度随温度的快速增加能够实现快速结晶。在这三个阶段中，结晶状态受到了最多的关注，并且涉及一种化学键合类型与一组独特的物理特性相关，不同于其金属和共价对应物。它的高反射率和导电性为信息存储和处理提供了与非晶态的必要特性对比。

来自亚琛工业大学的学者对相变材料Ge3Sb6Te5的液相动力学进行了分析，这是超快开关速度的关键。通过采用四种实验技术，尽管粘度倾向于快速结晶，但仍测量了超过 16 个数量级的粘度。这些测量表明，液体经历与液-液相变相关的粘度-温度依赖性转变。该系统在玻璃化转变附近的温度下表现出较浅的粘度变化，从而将记忆单元稳定在无定形状态，并限制了弛豫过程的严重程度。同时，在写入过程中加热时，脆性增加到一倍以上，导致粘度迅速下降，从而实现纳秒级的结晶速度。粘度-温度依赖性的这种变化在玻璃成型液体中是非常不寻常的，并且让人联想到水的行为。这种粘度转变也是计算机存储器应用相变材料技术成功的关键。相关文章以“Fragile-to-Strong Transition in Phase-Change Material Ge3Sb6Te5”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202202714

图1. a） 在以相同速率再加热期间，过冷液体（UCL）的初始玻璃化后具有过量的热容量Cpexc。b） 温度 Tf 作为从 （a） 获得的冷却速率的函数，其冷却速率和随后的加热速率相同 θ = θc = θh 。

a) 用于时间-温度依赖性晶体生长速度成像的 TEM 样品（层堆叠）的平面示意图。b,c) Ge3Sb6Te5薄膜在 230 ℃等温保持期间晶粒生长的 TEM 图像。

图3. 在 300 ℃ 下使用 POT 装置在再结晶过程中进行时间分辨反射率测量。在t = 0 s 时，通过激光辅助熔融淬火将无定形标记引入结晶基质，这导致检测到的样品反射率突然降低。再结晶时，反射率再次增加，直到结晶完成时达到稳定。在 300 ℃下，完成结晶需要 ≈0.0395 秒。非晶标记的半径为 0.75 µm。这导致19μm s -1的晶体生长速度。

图4. a)通过透射电子显微镜 (TEM) 和相变光学装置 (POT) 的激光装置测量的晶体生长速度vg的组合数据。b)由晶体生长速度vg计算的粘度 η。

图5. a) Ge3Sb6Te5熔体的粘度通过振荡杯粘度计(OCV)测量。b) 使用 DSC、TEM、POT 和 OCV 在 184 至 981℃的整个温度范围内获得的粘度数据的对数图。

图6.将 Ge3Sb6Te5熔体与标准强液体 GeO2和标准易碎液体邻三联苯 (OTP)以及 Te、几种 PCM和四面体液体BeF2进行比较。

在过去的二十年中，LLT和FST受到了很多关注，特别是因为它们存在于最重要的液体中：水。本文表明这些FST在实现相变材料在非易失性存储器件中的应用方面也发挥了关键的技术作用。与FST相关的液体动力学的显着变化使得高温下的超快结晶和低温下的最大玻璃态稳定性相结合，这在遵循传统单一脆性行为的玻璃成型液体中是无法实现的。

虽然本研究中提供的数据仅限于Ge3Sb6Te5组成，但LLT已经在许多其他硫族化合物系统中观察到，并且预计FST是硫族化物PCM的普遍特征。但是，需要进一步的技术来阐明负责 FST 的机制。Tg附近的强行为提供的稳定性也与神经形态计算和多级数据存储的发展特别相关，其中即使是很小的结构松弛也会导致显着的电阻漂移。电阻的这种变化导致多级数据存储中编码水平的读出误差或神经形态设备中模拟突触权重的漂移。因此，进一步调查Tg附近材料的“强”行为可能会产生重大的技术影响。因此，本文可以得出结论，Ge3Sb6Te5表现出FST，可提供出色和有利的PCM特性。（文：SSC）

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