Er摻雜Sb?Te?基高性能相變信息存儲材料：性能優(yōu)化與機(jī)制探索一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長，對信息存儲技術(shù)提出了更高的要求。從移動硬盤、固態(tài)硬盤到閃存、光盤等存儲介質(zhì)，雖各有優(yōu)劣，但均面臨著性能瓶頸。硬盤存儲容量大、讀寫速度相對較快且易于安裝使用，卻易受磁場干擾、存儲壽命有限且噪音較大；固態(tài)硬盤讀寫速度更快、耐用性更強(qiáng)且安靜無噪音，然而存儲容量相對較小、價格較高且存儲壽命有限；閃存體積小、重量輕、讀寫速度快且耐用性較強(qiáng)，但存儲容量相對較小、存儲壽命有限且受溫度影響較大；光盤存儲容量較大、耐用性較強(qiáng)且價格相對較低，卻讀寫速度較慢、受劃傷影響且存儲壽命有限。在此背景下，相變存儲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為存儲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相變存儲技術(shù)利用材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換時的導(dǎo)電性差異來存儲數(shù)據(jù)，具有高速讀寫、非易失性、可字節(jié)尋址、抗輻照、抗振動、抗電子干擾等諸多優(yōu)勢，且制造工藝簡單并與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景、最有可能完全替代DRAM的新型NVM技術(shù)之一，在計算機(jī)主存、硬盤和閃存等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。例如，相變存儲器訪問響應(yīng)時間短，在設(shè)計參考中固件代碼的直接執(zhí)行上具有優(yōu)勢，可作為DRAM的替代品；其隨機(jī)讀寫性能能夠有效解決大規(guī)?？茖W(xué)計算中小粒度隨機(jī)I/O對磁盤訪問所造成的I/O瓶頸，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬盤；與閃存相比，相變存儲器在讀寫性能上更具優(yōu)勢。在眾多相變存儲材料中，Sb?Te?基材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和相變特性，展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。它是一種V-Ⅵ族化合物，具有良好的熱電性能，在熱電制冷、溫差發(fā)電等領(lǐng)域已得到廣泛研究和應(yīng)用。在相變存儲領(lǐng)域，Sb?Te?基材料也表現(xiàn)出一些優(yōu)異的性能，如較快的相變速度等。然而，該材料也存在一些明顯的不足，限制了其在高性能相變信息存儲領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。例如，Sb?Te?合金由于SbTe反位缺陷（受主缺陷）具有較低的形成能，導(dǎo)致材料的載流子濃度遠(yuǎn)高于其最優(yōu)濃度范圍，從而影響了材料的電學(xué)性能和存儲性能；其熱穩(wěn)定性相對較差，在高溫環(huán)境下，材料的晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變可能會變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失或錯誤；且其循環(huán)壽命有限，經(jīng)過多次的相變循環(huán)后，材料的性能會逐漸退化，無法滿足長期穩(wěn)定存儲的需求。為了克服Sb?Te?基材料的這些不足，研究人員嘗試采用多種方法對其進(jìn)行性能優(yōu)化，其中摻雜是一種有效的手段。通過在Sb?Te?基材料中引入雜質(zhì)原子或離子，如Sb同族元素Bi，形成(bi,sb)?Te?合金，可以降低材料的載流子濃度，獲得更高的功率因子（PF），同時增加對聲子的散射，降低熱導(dǎo)率，從而優(yōu)化材料的熱電性能。但目前的摻雜研究仍存在一些問題，部分摻雜元素雖然能夠改善材料的某些性能，但也會引入新的缺陷或不良影響，導(dǎo)致材料的綜合性能提升不明顯；不同摻雜元素和摻雜濃度對材料性能的影響規(guī)律尚未完全明確，缺乏系統(tǒng)深入的研究，使得在實際應(yīng)用中難以準(zhǔn)確選擇合適的摻雜方案。本研究聚焦于Er摻雜對Sb?Te?基材料性能的影響。Er作為一種稀土元素，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。將Er引入Sb?Te?基材料中，有望通過改變材料的電子結(jié)構(gòu)，調(diào)控其電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等性能，從而提升材料在相變信息存儲領(lǐng)域的性能。例如，Er的摻雜可能會影響材料的載流子濃度和遷移率，進(jìn)而改善材料的電導(dǎo)率；也可能會改變材料的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)，影響材料的熱穩(wěn)定性和相變特性；還可能會對材料的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，為實現(xiàn)光輔助的相變存儲提供可能。研究Er摻雜Sb?Te?基材料，對于深入理解摻雜對材料性能的影響機(jī)制，開發(fā)高性能的相變信息存儲材料具有重要的理論意義；在實際應(yīng)用方面，有望為新一代高性能相變存儲器的研發(fā)提供關(guān)鍵材料和技術(shù)支持，推動信息存儲技術(shù)的發(fā)展，滿足不斷增長的數(shù)據(jù)存儲需求，具有顯著的實際應(yīng)用價值。1.2相變信息存儲材料概述1.2.1相變存儲原理相變存儲技術(shù)的核心在于利用相變材料在晶態(tài)與非晶態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與讀取。相變材料是一類特殊的物質(zhì)，在不同的溫度、電場或光場等外部條件作用下，能夠在晶態(tài)和非晶態(tài)這兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換。在晶態(tài)下，原子排列呈現(xiàn)出規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，具有長程有序性；而在非晶態(tài)時，原子排列則較為無序，僅存在短程有序。這種結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致了材料在電學(xué)和光學(xué)等物理性質(zhì)上表現(xiàn)出顯著不同。從電學(xué)特性來看，晶態(tài)時材料的原子排列規(guī)則，電子能夠較為順暢地在晶格中移動，使得材料具有較低的電阻率，呈現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；相比之下，非晶態(tài)的原子無序排列阻礙了電子的傳導(dǎo)，導(dǎo)致電阻率大幅升高，導(dǎo)電性變差。例如，常見的相變材料Ge?Sb?Te?，在晶態(tài)時電阻率約為10??Ω?cm，而在非晶態(tài)下電阻率可高達(dá)102Ω?cm，兩者相差達(dá)6個數(shù)量級。利用這一特性，通常將晶態(tài)定義為邏輯“1”，非晶態(tài)定義為邏輯“0”，通過檢測材料的電阻值來確定存儲的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在光學(xué)特性方面，晶態(tài)和非晶態(tài)的相變材料也存在明顯差異。由于晶態(tài)材料具有規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，對光的散射相對較小，光透過率較高；而非晶態(tài)材料的原子無序排列會導(dǎo)致光在其中傳播時發(fā)生強(qiáng)烈散射，光透過率較低。此外，晶態(tài)和非晶態(tài)材料的反射率也有所不同，這些光學(xué)性質(zhì)的差異同樣可用于數(shù)據(jù)的存儲和讀取。例如，在相變光盤存儲技術(shù)中，就是利用激光照射相變材料，根據(jù)反射光的強(qiáng)弱變化來識別存儲的數(shù)據(jù)。相變存儲器的工作過程主要包括寫入（SET）、擦除（RESET）和讀?。≧EAD）三個操作。寫入操作是將數(shù)據(jù)“1”寫入存儲單元，通過向相變材料施加一個強(qiáng)度中等、持續(xù)時間較長的電流脈沖，使材料溫度升高到結(jié)晶溫度以上但低于熔點(diǎn)溫度，并維持一定時間，原子在熱能作用下獲得足夠的能量進(jìn)行重新排列，從無序的非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻木B(tài)。擦除操作是將數(shù)據(jù)“0”寫入存儲單元，施加一個時間短而強(qiáng)度高的電流脈沖，電能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，使材料溫度急劇升高到熔點(diǎn)以上，然后快速冷卻，原子來不及規(guī)則排列，從而使材料從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。讀取操作則是在不改變材料相態(tài)的前提下，通過檢測相變材料的電阻值來確定存儲的數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)檢測到低電阻值時，表明材料處于晶態(tài)，對應(yīng)存儲的數(shù)據(jù)為“1”；當(dāng)檢測到高電阻值時，則表明材料處于非晶態(tài)，對應(yīng)存儲的數(shù)據(jù)為“0”。整個相變存儲過程具有快速、可逆且非易失性的特點(diǎn)，即斷電后存儲的數(shù)據(jù)不會丟失，這使得相變存儲技術(shù)在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。1.2.2高性能相變信息存儲材料特點(diǎn)高速度：在信息時代，數(shù)據(jù)的快速處理和傳輸至關(guān)重要。高性能相變信息存儲材料應(yīng)具備極快的相變速度，能夠在短時間內(nèi)完成晶態(tài)與非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。例如，一些先進(jìn)的相變材料的相變時間可達(dá)到納秒甚至皮秒級別，這使得數(shù)據(jù)的寫入和讀取操作能夠在瞬間完成，大大提高了存儲系統(tǒng)的響應(yīng)速度。以計算機(jī)內(nèi)存應(yīng)用為例，高速度的相變存儲材料可以顯著減少數(shù)據(jù)讀取和寫入的延遲，加快計算機(jī)的運(yùn)行速度，使計算機(jī)能夠更快速地處理各種復(fù)雜任務(wù)，如大型文件的快速加載、高清視頻的流暢播放以及復(fù)雜圖形的實時渲染等。高穩(wěn)定性：存儲的數(shù)據(jù)需要在較長時間內(nèi)保持準(zhǔn)確和完整，不受環(huán)境因素的影響。高性能相變材料應(yīng)具有出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性方面，材料在不同溫度條件下應(yīng)能保持晶態(tài)和非晶態(tài)的相對穩(wěn)定性，避免因溫度波動導(dǎo)致的相態(tài)意外轉(zhuǎn)變。例如，在高溫環(huán)境下，材料的非晶態(tài)不應(yīng)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，從而保證存儲的數(shù)據(jù)不丟失；在低溫環(huán)境下，晶態(tài)材料也不應(yīng)發(fā)生異常變化?；瘜W(xué)穩(wěn)定性要求材料不易與周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，防止因氧化、腐蝕等化學(xué)作用而影響材料的性能和數(shù)據(jù)存儲的可靠性。在數(shù)據(jù)中心等大規(guī)模存儲應(yīng)用場景中，高穩(wěn)定性的相變存儲材料能夠確保大量數(shù)據(jù)長期可靠存儲，減少數(shù)據(jù)維護(hù)和備份的成本，保障數(shù)據(jù)的安全性和可用性。高可靠性：這是衡量相變存儲材料性能的重要指標(biāo)之一。高可靠性意味著材料在多次相變循環(huán)過程中，其電學(xué)和光學(xué)等性能應(yīng)保持穩(wěn)定，不會出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象。材料的晶態(tài)和非晶態(tài)之間的電阻差異應(yīng)始終保持在可檢測的范圍內(nèi)，以確保準(zhǔn)確無誤地讀取和寫入數(shù)據(jù)。即使經(jīng)過數(shù)百萬次甚至更多次的讀寫操作，材料的性能依然可靠，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。在航空航天、金融等對數(shù)據(jù)可靠性要求極高的領(lǐng)域，高可靠性的相變存儲材料能夠滿足這些領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)存儲的嚴(yán)格要求，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全存儲和可靠傳輸，避免因數(shù)據(jù)錯誤或丟失而引發(fā)嚴(yán)重后果。高存儲密度：隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，對存儲設(shè)備的存儲密度提出了更高要求。高性能相變信息存儲材料應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高密度存儲，即在單位面積或體積內(nèi)存儲更多的數(shù)據(jù)。通過不斷優(yōu)化材料的制備工藝和器件結(jié)構(gòu)，減小存儲單元的尺寸，從而提高存儲密度。例如，采用納米技術(shù)制備的相變存儲材料，其存儲單元尺寸可以縮小到幾十納米甚至更小，大大提高了存儲密度。高存儲密度不僅可以降低存儲設(shè)備的成本，還能減少設(shè)備的體積和重量，使其更便于攜帶和應(yīng)用，滿足移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)π⌒突?、大容量存儲的需求。低功耗：在能源日益緊張的今天，存儲設(shè)備的低功耗特性變得越來越重要。高性能相變材料在相變過程中應(yīng)消耗較少的能量，以降低存儲設(shè)備的整體功耗。通過改進(jìn)材料的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)化相變機(jī)制，減少相變所需的能量輸入。低功耗的相變存儲材料不僅可以延長電池供電設(shè)備的續(xù)航時間，如智能手機(jī)、平板電腦等，還能降低數(shù)據(jù)中心等大規(guī)模存儲設(shè)施的能源消耗，減少運(yùn)營成本，同時符合環(huán)保節(jié)能的發(fā)展趨勢。1.3Sb?Te?基相變信息存儲材料研究現(xiàn)狀1.3.1Sb?Te?材料特性晶體結(jié)構(gòu)：Sb?Te?屬于V-Ⅵ族化合物，具有典型的六方晶系結(jié)構(gòu)，空間群為R-3m。其晶體結(jié)構(gòu)由沿著c軸方向交替堆疊的Te-Sb-Te三層原子平面構(gòu)成，層間通過較弱的范德華力相互作用。在每層原子平面內(nèi)，Sb原子與周圍的Te原子通過共價鍵相連，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元。這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予了Sb?Te?一些特殊的物理性質(zhì)，如較高的各向異性，在不同晶向方向上材料的電學(xué)、熱學(xué)等性能表現(xiàn)出明顯差異，這對其在相變存儲中的應(yīng)用具有重要影響。相變特性：Sb?Te?具備可逆的相變特性，在一定的外部條件下，能夠在晶態(tài)和非晶態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)受到足夠的能量激發(fā)，如加熱到熔點(diǎn)以上然后快速冷卻時，材料會從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)；而在適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r間條件下，非晶態(tài)的Sb?Te?又可以通過晶化過程重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。這種相變過程伴隨著材料微觀結(jié)構(gòu)的顯著變化，從有序的晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的原子排列，進(jìn)而導(dǎo)致材料的物理性質(zhì)發(fā)生改變。研究表明，Sb?Te?的相變速度相對較快，這使得它在相變存儲領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，能夠?qū)崿F(xiàn)較快的數(shù)據(jù)寫入和擦除操作。電學(xué)性能：在電學(xué)性能方面，Sb?Te?呈現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。由于SbTe反位缺陷（受主缺陷）具有較低的形成能，使得材料的載流子濃度遠(yuǎn)高于其最優(yōu)濃度范圍。這導(dǎo)致Sb?Te?的電導(dǎo)率較高，而塞貝克系數(shù)相對較低。較高的電導(dǎo)率雖然有利于降低數(shù)據(jù)傳輸過程中的電阻損耗，但也會對材料的存儲性能產(chǎn)生一些負(fù)面影響，例如在相變存儲中，可能會影響晶態(tài)和非晶態(tài)之間的電阻對比度，從而降低數(shù)據(jù)存儲的可靠性。此外，Sb?Te?的電學(xué)性能還受到溫度、雜質(zhì)等因素的影響，在不同的溫度條件下，其電導(dǎo)率和載流子遷移率會發(fā)生變化，這對其在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。在相變存儲應(yīng)用中，Sb?Te?的這些特性既有優(yōu)勢也存在局限性。其較快的相變速度使其能夠滿足高速數(shù)據(jù)讀寫的要求，為實現(xiàn)快速的存儲操作提供了可能；獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能也為材料的性能優(yōu)化提供了一定的基礎(chǔ)。然而，材料的熱穩(wěn)定性相對較差，在高溫環(huán)境下，晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變可能會變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失或錯誤。較低的塞貝克系數(shù)和較高的載流子濃度影響了其在存儲性能方面的進(jìn)一步提升，限制了其在高性能相變存儲領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，為了充分發(fā)揮Sb?Te?在相變存儲中的潛力，需要對其進(jìn)行改性研究，以克服這些局限性。1.3.2常見摻雜改性研究為了改善Sb?Te?基材料在相變信息存儲方面的性能，研究人員采用了多種元素進(jìn)行摻雜改性，常見的摻雜元素包括Bi、In、Ag等。Bi摻雜：引入Sb同族元素Bi形成(bi,sb)?Te?合金是一種常見的摻雜方式。Bi的摻雜可以降低材料的載流子濃度，使其更接近最優(yōu)濃度范圍，從而提高功率因子（PF）。Bi原子的引入增加了對聲子的散射，降低了材料的熱導(dǎo)率。例如，相關(guān)研究表明，在Sb?Te?中適量摻雜Bi后，材料的功率因子得到了顯著提升，同時熱導(dǎo)率有所降低，這有助于提高材料的熱電性能和存儲性能。Bi的摻雜還可能對材料的晶體結(jié)構(gòu)和相變特性產(chǎn)生影響，改變材料的晶化溫度和相變速度，從而優(yōu)化材料在相變存儲中的性能。In、Ag等元素?fù)诫s：In-Ag共摻雜結(jié)合熱壓燒結(jié)技術(shù)制備的Ag?.??Sb?.??In?.??Te?樣品，在710K時獲得了較高的ZTmax值。In和Ag的摻雜可能通過改變材料的電子結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)，影響材料的電學(xué)性能和相變特性。In的摻雜可能會引入新的能級，調(diào)節(jié)載流子的濃度和遷移率；Ag的摻雜則可能影響材料的晶界結(jié)構(gòu)和晶化過程，從而對材料的性能產(chǎn)生綜合影響。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足和挑戰(zhàn)。部分摻雜元素雖然能夠改善材料的某些性能，但也會引入新的缺陷或不良影響。一些摻雜元素可能會導(dǎo)致材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，增加晶格缺陷，從而影響材料的穩(wěn)定性和可靠性。不同摻雜元素和摻雜濃度對材料性能的影響規(guī)律尚未完全明確，缺乏系統(tǒng)深入的研究。目前的研究大多集中在單一或少數(shù)幾種摻雜元素的探索上，對于多種元素協(xié)同摻雜的研究較少，難以充分發(fā)揮摻雜的綜合效應(yīng)。這使得在實際應(yīng)用中難以準(zhǔn)確選擇合適的摻雜方案，限制了Sb?Te?基相變信息存儲材料性能的進(jìn)一步提升。1.4Er摻雜的研究現(xiàn)狀及存在問題1.4.1Er摻雜對其他材料性能影響研究在眾多材料體系中，Er摻雜展現(xiàn)出獨(dú)特且多樣化的影響，為材料性能的優(yōu)化與拓展開辟了新的路徑。在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，如Si基材料中，Er的引入展現(xiàn)出對光學(xué)性質(zhì)的顯著調(diào)控作用。研究表明，由于Er獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，其在Si晶格中形成特定的能級，從而使材料能夠發(fā)射出1.54μm波長的光，這一波長在光纖通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，可有效解決Si基材料發(fā)光效率低、難以實現(xiàn)與光纖通信波段兼容的問題。通過精確控制Er的摻雜濃度和分布，還能夠改善材料的電學(xué)性能，如調(diào)節(jié)載流子濃度和遷移率，為Si基光電器件的性能提升提供了可能。在氧化物材料中，以TiO?為例，Er摻雜對其光催化性能和電學(xué)性能的影響備受關(guān)注。在光催化方面，適量的Er摻雜能夠改變TiO?的能帶結(jié)構(gòu)，增加光生載流子的分離效率，從而提高對有機(jī)污染物的降解能力。這是因為Er離子的存在引入了新的電子陷阱和復(fù)合中心，延長了光生載流子的壽命。在電學(xué)性能上，Er摻雜可以調(diào)控TiO?的電阻特性，使其在傳感器、電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。研究還發(fā)現(xiàn)，不同的制備工藝和摻雜方式會對Er摻雜TiO?的性能產(chǎn)生顯著影響，例如采用溶膠-凝膠法和磁控濺射法制備的樣品，其性能表現(xiàn)存在差異。在鐵電材料中，如Pb(Zr,Ti)O?（PZT），Er摻雜對鐵電性能和介電性能的影響具有重要研究意義。Er的摻雜能夠改變PZT的晶體結(jié)構(gòu)和疇結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其鐵電性能。適量的Er摻雜可以提高PZT的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場，增強(qiáng)材料的鐵電穩(wěn)定性。在介電性能方面，Er摻雜會導(dǎo)致PZT的介電常數(shù)和介電損耗發(fā)生變化，通過合理控制摻雜濃度，可以使材料在特定頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)良的介電性能，滿足電子器件對高性能鐵電材料的需求。此外，Er摻雜還可能對PZT的壓電性能產(chǎn)生影響，為其在傳感器、驅(qū)動器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更多的優(yōu)化空間。1.4.2Er摻雜Sb?Te?基材料研究問題與挑戰(zhàn)盡管Er摻雜在其他材料體系中取得了一定的研究成果，但在Sb?Te?基材料中，相關(guān)研究仍處于起步階段，面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。在材料制備工藝方面，如何精確控制Er的摻雜濃度和均勻性是一個關(guān)鍵難題。目前的制備方法，如熔煉法、磁控濺射法等，在實現(xiàn)高精度摻雜方面存在困難。熔煉法雖然操作相對簡單，但在合金化過程中，由于Er與Sb?Te?的化學(xué)活性和原子半徑差異較大，難以保證Er在材料中的均勻分布，容易出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象。磁控濺射法在制備薄膜材料時，雖然能夠在一定程度上控制摻雜濃度，但設(shè)備復(fù)雜、成本較高，且制備的薄膜厚度和質(zhì)量難以精確控制。這些制備工藝的局限性不僅影響了材料性能的一致性和穩(wěn)定性，也阻礙了對Er摻雜Sb?Te?基材料性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系的深入研究。在性能優(yōu)化與機(jī)制研究方面，目前對Er摻雜Sb?Te?基材料性能的影響機(jī)制尚不完全明確。雖然已知Er的摻雜可能會改變材料的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)，但具體的作用方式和相互關(guān)系仍有待深入探索。例如，Er的摻雜如何影響Sb?Te?基材料的載流子濃度和遷移率，進(jìn)而影響其電學(xué)性能，目前還缺乏系統(tǒng)的研究和準(zhǔn)確的理論解釋。在相變特性方面，Er摻雜對材料的晶化溫度、相變速度和熱穩(wěn)定性的影響機(jī)制也尚未清晰。不同的研究結(jié)果之間存在一定的差異，這可能與實驗條件、制備工藝和材料成分的微小變化有關(guān)。這種機(jī)制研究的不足，使得在通過Er摻雜優(yōu)化Sb?Te?基材料性能時缺乏有效的理論指導(dǎo)，難以實現(xiàn)材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控和優(yōu)化。在實際應(yīng)用方面，Er摻雜Sb?Te?基材料與現(xiàn)有存儲器件工藝的兼容性問題亟待解決。相變存儲器件的制造工藝通常需要與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。然而，Er摻雜后的Sb?Te?基材料在與CMOS工藝集成過程中，可能會出現(xiàn)諸如界面兼容性差、熱穩(wěn)定性不匹配等問題。例如，在與金屬電極連接時，可能會由于界面處的化學(xué)反應(yīng)或晶格失配，導(dǎo)致接觸電阻增大、可靠性降低。在高溫工藝步驟中，Er摻雜Sb?Te?基材料的性能可能會受到影響，出現(xiàn)相變特性退化、存儲性能下降等問題。這些兼容性問題嚴(yán)重制約了Er摻雜Sb?Te?基材料在相變存儲器件中的實際應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究開發(fā)新的工藝和技術(shù)來解決。二、實驗材料與方法2.1實驗材料本實驗制備Er摻雜Sb?Te?基材料所選用的主要原料包括Sb?Te?、Er源及其他添加劑。其中，Sb?Te?作為基體材料，采用純度為99.99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的高純度塊狀材料，其規(guī)格為邊長約10mm的正方體，確保了材料的高純度和穩(wěn)定性，減少雜質(zhì)對實驗結(jié)果的干擾。這種高純度的Sb?Te?材料在市場上有成熟的供應(yīng)渠道，能夠保證實驗材料的一致性和可重復(fù)性。Er源選用Er?O?粉末，其純度達(dá)到99.99%，粒度分布均勻，平均粒徑約為5μm。選擇Er?O?作為Er源，主要是因為其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于與Sb?Te?進(jìn)行反應(yīng)，且在后續(xù)的制備過程中能夠較為均勻地分散在基體材料中。通過控制Er?O?的添加量，可以精確調(diào)控Er在Sb?Te?基材料中的摻雜濃度。在一些研究中，使用相同純度的Er?O?作為摻雜源，成功實現(xiàn)了對材料性能的有效調(diào)控。為了改善材料的某些性能，還添加了少量的其他添加劑。例如，添加了純度為99.9%的In粉，其作用是協(xié)同Er摻雜，進(jìn)一步優(yōu)化材料的電學(xué)性能和相變特性。In粉的添加量控制在0.5%-2%（原子分?jǐn)?shù)）之間，通過前期的預(yù)實驗和相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研確定了該添加范圍，在此范圍內(nèi)，In的添加能夠與Er產(chǎn)生協(xié)同作用，對材料性能產(chǎn)生積極影響。還添加了微量的抗氧化劑，如純度為99%的Al?O?納米顆粒，其添加量為0.1%-0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），主要用于防止材料在制備過程中被氧化，提高材料的穩(wěn)定性。這些添加劑的選擇和添加量的確定，都是基于前期的研究和實驗經(jīng)驗，旨在充分發(fā)揮各元素的優(yōu)勢，實現(xiàn)對Sb?Te?基材料性能的全面優(yōu)化。2.2材料制備方法2.2.1磁控濺射法磁控濺射法是一種常用的物理氣相沉積（PVD）技術(shù)，在薄膜材料制備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其基本原理基于等離子體物理和表面物理過程。在磁控濺射系統(tǒng)中，首先將真空腔室抽至高真空狀態(tài)，一般真空度達(dá)到10?3-10??Pa，以減少氣體分子對濺射過程的干擾，確保濺射粒子能夠在無阻礙的環(huán)境中傳輸?shù)交砻妗ｋS后，向腔室內(nèi)通入適量的惰性氣體，如氬氣（Ar），使腔室內(nèi)氣壓維持在合適范圍，通常為0.1-10Pa。在靶材和基片之間施加直流（DC）或射頻（RF）電場，使氬氣分子電離，產(chǎn)生等離子體。在電場作用下，氬離子（Ar?）被加速并轟擊靶材表面。當(dāng)高能氬離子撞擊靶材時，靶材表面的原子獲得足夠的能量，克服原子間的結(jié)合力，從靶材表面濺射出來，形成原子、分子或離子態(tài)的濺射粒子。磁控濺射的獨(dú)特之處在于引入了磁場。在靶材背后設(shè)置永磁體或電磁體，形成磁場，使電子在電場和磁場的共同作用下，受到洛倫茲力的影響，運(yùn)動軌跡發(fā)生彎曲。電子被束縛在靶材表面附近，在一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)做螺旋運(yùn)動，增加了電子與氬氣分子的碰撞概率，從而顯著提高了等離子體密度。這種高密度的等離子體使得更多的氬離子能夠轟擊靶材，大大提高了濺射速率。與傳統(tǒng)濺射相比，磁控濺射的沉積速率可提高數(shù)倍甚至更高。例如，在沉積金屬薄膜時，傳統(tǒng)濺射的沉積速率可能為每分鐘幾納米，而磁控濺射可達(dá)到每分鐘幾十納米甚至更高。同時，由于濺射過程主要集中在靶材附近，基片受到的電子轟擊較少，溫度升高不明顯，這對于一些對溫度敏感的基片或材料非常有利，能夠在較低的基片溫度下獲得高質(zhì)量的薄膜。本實驗中使用的磁控濺射設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、靶材、基片、磁場系統(tǒng)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等部分組成。真空系統(tǒng)采用機(jī)械泵和分子泵組合，能夠快速將腔室抽至所需的高真空度。靶材選用高純度的Sb?Te?靶和Er靶，根據(jù)實驗設(shè)計的摻雜比例，通過調(diào)整兩個靶材的濺射時間或功率來控制Er在Sb?Te?基薄膜中的摻雜濃度?；捎霉杵虿Ａ?，在使用前經(jīng)過嚴(yán)格的清洗處理，依次用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗，以去除表面的油污、雜質(zhì)和氧化物，確保基片表面的清潔度，提高薄膜與基片之間的附著力。磁場系統(tǒng)采用永磁體結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化磁場的強(qiáng)度和分布，使電子在靶材表面形成穩(wěn)定的環(huán)形運(yùn)動軌跡，提高等離子體密度和濺射效率。氣體供應(yīng)系統(tǒng)精確控制氬氣的流量和壓力，確保濺射過程的穩(wěn)定性。電源系統(tǒng)根據(jù)靶材的性質(zhì)選擇直流電源或射頻電源，對于導(dǎo)電的Sb?Te?靶，采用直流電源；對于絕緣的Er靶，采用射頻電源，以實現(xiàn)穩(wěn)定的濺射過程。在磁控濺射工藝參數(shù)方面，主要包括濺射功率、工作氣壓、靶材與基片間距、基片溫度等。濺射功率是影響濺射速率和薄膜質(zhì)量的重要參數(shù)，一般根據(jù)靶材的種類和尺寸進(jìn)行調(diào)整。在本實驗中，對于Sb?Te?靶，濺射功率設(shè)置在50-200W之間；對于Er靶，濺射功率設(shè)置在10-50W之間。通過調(diào)整濺射功率，可以控制靶材原子的濺射速率和能量，進(jìn)而影響薄膜的生長速率和微觀結(jié)構(gòu)。工作氣壓對薄膜的質(zhì)量和沉積速率也有顯著影響。較低的工作氣壓下，濺射粒子的平均自由程較長，能夠在較少碰撞的情況下到達(dá)基片表面，有利于形成致密、均勻的薄膜，但沉積速率相對較低；較高的工作氣壓下，等離子體密度增加，濺射速率提高，但濺射粒子與氣體分子的碰撞次數(shù)增多，可能導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)空隙或雜質(zhì)，影響薄膜質(zhì)量。在實驗中，將工作氣壓控制在0.5-2Pa之間，通過優(yōu)化氣壓來平衡薄膜的致密性和沉積速率。靶材與基片間距影響濺射粒子的能量分布和到達(dá)基片表面的角度。較小的間距會使薄膜受熱增多，表面形貌更粗糙；過大的間距則會降低沉積速率。本實驗中，將靶材與基片間距設(shè)置在5-15cm之間，以確保獲得良好的薄膜附著力和均勻性?；瑴囟葘Ρ∧さ慕Y(jié)晶質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)有重要影響。較高的基片溫度有利于薄膜的結(jié)晶，提高薄膜的致密性和電學(xué)性能，但對于一些熱敏材料或非晶薄膜的制備，需要在低溫下進(jìn)行沉積。在實驗過程中，根據(jù)不同的實驗需求，通過加熱或冷卻裝置將基片溫度控制在室溫至300℃之間。2.2.2其他制備方法除了磁控濺射法，制備Er摻雜Sb?Te?基材料還可采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）、分子束外延法（MBE）等方法。化學(xué)氣相沉積法是利用氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在高溫和催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在基片表面形成薄膜的技術(shù)。在制備Er摻雜Sb?Te?基材料時，通常以SbH?、TeH?和Er的有機(jī)金屬化合物作為氣態(tài)源，在高溫反應(yīng)腔室內(nèi)，這些氣態(tài)源在基片表面發(fā)生分解和化學(xué)反應(yīng)，Sb、Te和Er原子在基片上沉積并反應(yīng)生成Er摻雜Sb?Te?薄膜。CVD法具有較高的沉積速率和良好的繞鍍性，能夠在復(fù)雜形狀的基片上沉積均勻的薄膜。該方法可以精確控制薄膜的化學(xué)成分和生長速率，通過調(diào)整氣態(tài)源的流量和反應(yīng)溫度等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對Er摻雜濃度和薄膜結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。然而，CVD法需要高溫環(huán)境，一般反應(yīng)溫度在幾百攝氏度以上，這可能會導(dǎo)致基片和薄膜的熱應(yīng)力問題，影響薄膜的質(zhì)量和性能；而且設(shè)備復(fù)雜，成本較高，對工藝控制要求嚴(yán)格，制備過程中還可能引入雜質(zhì)，需要對反應(yīng)氣體和設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的凈化和維護(hù)。分子束外延法是在超高真空環(huán)境下，將蒸發(fā)的原子束或分子束直接噴射到加熱的基片表面，原子在基片上逐層生長形成薄膜的技術(shù)。在制備Er摻雜Sb?Te?基材料時，將Sb、Te和Er的原子束分別從不同的蒸發(fā)源蒸發(fā)出來，精確控制各原子束的流量和能量，使其在基片表面按照預(yù)定的比例和結(jié)構(gòu)進(jìn)行生長。MBE法具有原子級的生長控制精度，能夠制備出高質(zhì)量、高純度的薄膜，薄膜的生長層數(shù)和成分可以精確控制到原子層水平，這對于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系非常有利。該方法生長的薄膜具有良好的晶體質(zhì)量和界面平整度，適用于制備高性能的電子器件和量子結(jié)構(gòu)材料。但是，MBE法設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，生長速率極低，通常每小時只能生長幾納米的薄膜，產(chǎn)量極低，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。與磁控濺射法相比，化學(xué)氣相沉積法和分子束外延法在薄膜質(zhì)量和生長控制精度方面各有優(yōu)勢。CVD法在繞鍍性和成分控制方面表現(xiàn)較好，適合在復(fù)雜形狀基片上制備成分均勻的薄膜；MBE法在原子級生長控制和薄膜晶體質(zhì)量方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，能夠制備出高質(zhì)量的量子結(jié)構(gòu)材料。磁控濺射法具有沉積速率高、基片溫度低、設(shè)備相對簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，更適合大規(guī)模制備和工業(yè)應(yīng)用。在實際研究和應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和條件，綜合考慮各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最適合的制備方法。2.3材料表征與性能測試2.3.1結(jié)構(gòu)表征X射線衍射（XRD）：X射線衍射（XRD）是研究材料晶體結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)，其基本原理基于布拉格定律。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)量級。不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射。具體而言，當(dāng)X射線照射到晶體上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射，散射波在空間相互干涉，在滿足布拉格定律2dsinθ=nλ（其中，d為晶面間距，θ為入射角，n為衍射級數(shù)，λ為X射線波長，2θ為衍射角）的條件下，會在特定方向上形成衍射線。通過測量衍射線的位置（2θ）和強(qiáng)度，可獲得材料的晶體結(jié)構(gòu)信息。例如，根據(jù)衍射線的位置可以確定晶面間距，進(jìn)而確定晶體的晶格參數(shù)；通過比較衍射線的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)卡片中對應(yīng)晶面的強(qiáng)度，可以判斷材料中各相的相對含量。在本實驗中，使用德國布魯克D8AdvanceX射線衍射儀對Er摻雜Sb?Te?基材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。實驗時，將制備好的材料樣品研磨成粉末狀，均勻涂抹在樣品臺上，確保樣品表面平整。采用CuKα射線（λ=0.15406nm）作為輻射源，掃描范圍為20°-80°，掃描步長為0.02°，掃描速度為5°/min。通過XRD圖譜，可以清晰地觀察到材料的衍射峰位置和強(qiáng)度，從而確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成以及晶格參數(shù)等信息。將所得XRD圖譜與標(biāo)準(zhǔn)Sb?Te?的圖譜進(jìn)行對比，分析Er摻雜對材料晶體結(jié)構(gòu)的影響，判斷是否形成了新的相，以及晶格是否發(fā)生畸變等。透射電子顯微鏡（TEM）：透射電子顯微鏡（TEM）是一種能夠觀察材料微觀結(jié)構(gòu)和晶體缺陷的強(qiáng)大工具，其原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)高能電子束穿透樣品時，電子與樣品中的原子相互作用，發(fā)生散射和衍射。通過對散射和衍射電子的收集和分析，可以獲得樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息。TEM具有極高的分辨率，能夠觀察到材料的晶格結(jié)構(gòu)、晶界、位錯等微觀特征。在本實驗中，使用日本JEOLJEM-2100F場發(fā)射透射電子顯微鏡對材料進(jìn)行微觀形貌和結(jié)構(gòu)分析。首先，將樣品制備成適合TEM觀察的薄膜樣品。采用聚焦離子束（FIB）技術(shù)，在樣品表面切割出一個厚度約為50-100nm的薄片，然后將其轉(zhuǎn)移到TEM專用的銅網(wǎng)上。在TEM觀察過程中，選擇合適的加速電壓（通常為200kV），以獲得足夠的分辨率和穿透能力。通過高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像，可以直接觀察到材料的晶格條紋，測量晶格間距，分析晶體的取向和缺陷情況。利用選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，對材料的特定區(qū)域進(jìn)行電子衍射分析，獲得衍射斑點(diǎn)或衍射環(huán)，從而確定該區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)和晶向。2.3.2成分分析X射線光電子能譜（XPS）：X射線光電子能譜（XPS）是一種用于分析材料表面化學(xué)成分和電子結(jié)構(gòu)的表面分析技術(shù)，其原理基于光電效應(yīng)。當(dāng)一束X射線照射到材料表面時，材料中的電子吸收X射線的能量，克服原子核的束縛，從材料表面逸出，形成光電子。這些光電子具有特定的能量分布，其能量與電子所處的原子軌道以及原子的化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。通過測量光電子的能量和強(qiáng)度，可以確定材料表面的元素組成、化學(xué)價態(tài)以及元素的相對含量。在本實驗中，使用美國賽默飛世爾科技Escalab250XiX射線光電子能譜儀對Er摻雜Sb?Te?基材料的表面成分和化學(xué)態(tài)進(jìn)行分析。實驗前，將樣品表面進(jìn)行清潔處理，去除表面的污染物和氧化物。以AlKα射線（1486.6eV）作為激發(fā)源，在超高真空環(huán)境下（通常為10??-10?1?Pa）對樣品進(jìn)行掃描。通過對XPS譜圖中不同元素的特征峰位置和強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以確定材料表面的元素種類和相對含量。對Sb、Te、Er等元素的特征峰進(jìn)行分峰擬合，分析其化學(xué)價態(tài)和電子云分布情況，研究Er摻雜對材料表面化學(xué)態(tài)的影響。例如，通過對比摻雜前后Sb和Te的價態(tài)變化，了解Er與Sb?Te?之間的相互作用機(jī)制。能量色散X射線光譜（EDS）：能量色散X射線光譜（EDS）是一種用于分析材料化學(xué)成分的微區(qū)分析技術(shù)，通常與掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）聯(lián)用。其原理是當(dāng)高能電子束轟擊樣品時，樣品中的原子內(nèi)層電子被激發(fā)，外層電子躍遷到內(nèi)層填補(bǔ)空位，同時釋放出具有特定能量的X射線。這些X射線的能量與元素的種類相關(guān)，通過檢測X射線的能量和強(qiáng)度，可以確定樣品中元素的種類和相對含量。在本實驗中，使用配備了EDS探測器的掃描電子顯微鏡（如德國蔡司Ultra55場發(fā)射掃描電子顯微鏡）對材料進(jìn)行成分分析。將制備好的樣品放置在SEM樣品臺上，選擇合適的加速電壓（通常為10-20kV）和工作距離，使電子束聚焦在樣品表面的特定區(qū)域。通過采集該區(qū)域的EDS譜圖，可以快速獲得樣品中元素的種類和相對含量信息。通過對不同位置的EDS分析，還可以了解材料中元素的分布均勻性。例如，在研究Er摻雜Sb?Te?基材料時，通過EDS分析可以確定Er在材料中的分布情況，以及是否存在成分偏析現(xiàn)象。EDS分析還可以與SEM的形貌觀察相結(jié)合，對材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行綜合分析。2.3.3相變性能測試差示掃描量熱法（DSC）：差示掃描量熱法（DSC）是研究材料相變過程中熱效應(yīng)的重要方法，其原理是在程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關(guān)系。在相變過程中，材料會吸收或釋放熱量，導(dǎo)致試樣與參比物之間產(chǎn)生溫度差。DSC通過測量這種溫度差，并將其轉(zhuǎn)化為功率差信號，從而得到材料的熱流率-溫度（或時間）曲線。從DSC曲線中，可以獲取材料的相變溫度、相變焓等信息。在本實驗中，使用美國TA儀器Q2000差示掃描量熱儀對Er摻雜Sb?Te?基材料的相變性能進(jìn)行測試。實驗時，將適量的材料樣品（通常為5-10mg）放入鋁制坩堝中，以藍(lán)寶石作為參比物。在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，以一定的升溫速率（如10℃/min、20℃/min等）從室溫升溫至高于材料熔點(diǎn)的溫度，然后再以相同的降溫速率冷卻至室溫。通過分析DSC曲線，確定材料的晶化溫度（Tc）、熔點(diǎn)（Tm）以及相變焓（ΔH）等參數(shù)。比較不同Er摻雜濃度樣品的DSC曲線，研究Er摻雜對材料相變溫度和相變焓的影響，分析摻雜如何改變材料的熱穩(wěn)定性和相變特性。原位電阻測試：原位電阻測試是研究材料在相變過程中電阻變化的重要手段，其原理是通過在材料上施加一定的電流，測量材料在不同溫度或時間下的電阻值，從而實時監(jiān)測材料的相變過程。在相變過程中，材料的晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致其電阻發(fā)生顯著變化，利用這一特性可以研究材料的相變動力學(xué)和相變特性。在本實驗中，采用四探針法進(jìn)行原位電阻測試。將制備好的材料樣品制成片狀，在樣品表面均勻地粘貼四個金屬探針，其中兩個探針用于施加電流，另外兩個探針用于測量電壓。將樣品放置在高溫爐中，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下，以一定的升溫或降溫速率進(jìn)行溫度循環(huán)。通過數(shù)字源表（如美國吉時利2400數(shù)字源表）實時測量樣品的電阻值，并記錄電阻隨溫度或時間的變化曲線。從電阻-溫度（或時間）曲線中，可以確定材料的相變起始溫度、相變結(jié)束溫度以及電阻變化幅度等信息。分析不同Er摻雜濃度樣品的電阻變化曲線，研究Er摻雜對材料相變速度和電阻對比度的影響，探討摻雜如何改善材料在相變存儲中的性能。2.3.4存儲性能測試讀寫速度測試：使用專業(yè)的電學(xué)測試系統(tǒng)，如半導(dǎo)體參數(shù)分析儀（如KeysightB1500A），對制備的相變存儲器件進(jìn)行讀寫速度測試。在測試過程中，向器件施加特定的電流脈沖序列，模擬實際的寫入和讀取操作。通過測量器件對這些脈沖的響應(yīng)時間，來確定其讀寫速度。對于寫入操作，施加不同寬度和幅度的電流脈沖，記錄從脈沖開始到材料完成相變所需的時間，即為寫入時間。對于讀取操作，施加一個小的探測電流脈沖，測量從脈沖施加到檢測到穩(wěn)定的電阻信號所需的時間，即為讀取時間。多次重復(fù)測試，取平均值作為器件的讀寫速度。分析不同Er摻雜濃度和制備工藝對讀寫速度的影響，優(yōu)化材料和器件性能，以提高讀寫速度。循環(huán)壽命測試：將相變存儲器件置于電學(xué)測試系統(tǒng)中，進(jìn)行多次的寫入和擦除循環(huán)操作。每次循環(huán)包括一次寫入操作（將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)）和一次擦除操作（將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)）。在每個循環(huán)后，測量器件的電阻值，以確定材料的相態(tài)是否正確轉(zhuǎn)變。記錄器件能夠保持正確存儲狀態(tài)的循環(huán)次數(shù)，當(dāng)電阻值的變化超出設(shè)定的誤差范圍時，認(rèn)為器件失效，此時的循環(huán)次數(shù)即為循環(huán)壽命。通過對比不同樣品的循環(huán)壽命，研究Er摻雜對材料循環(huán)穩(wěn)定性的影響，探索提高材料循環(huán)壽命的方法。數(shù)據(jù)保持性測試：將相變存儲器件寫入特定的數(shù)據(jù)（晶態(tài)或非晶態(tài)）后，在不同的溫度和時間條件下存儲。定期取出器件，使用電學(xué)測試系統(tǒng)測量其電阻值，判斷存儲的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。通過記錄在不同存儲條件下器件能夠保持正確數(shù)據(jù)的最長時間，來評估材料的數(shù)據(jù)保持性。研究不同Er摻雜濃度和環(huán)境因素（如溫度、濕度）對數(shù)據(jù)保持性的影響，為相變存儲器件的實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。三、Er摻雜對Sb?Te?基材料結(jié)構(gòu)與性能的影響3.1Er摻雜對晶體結(jié)構(gòu)的影響3.1.1XRD分析為深入探究Er摻雜對Sb?Te?基材料晶體結(jié)構(gòu)的影響，對不同Er摻雜濃度的樣品進(jìn)行了X射線衍射（XRD）測試。圖1展示了純Sb?Te?以及Er摻雜濃度分別為1%、3%、5%的Sb?Te?基材料的XRD圖譜。從圖譜中可以看出，所有樣品均呈現(xiàn)出典型的六方晶系Sb?Te?結(jié)構(gòu)特征衍射峰，未出現(xiàn)明顯的雜峰，表明Er的摻雜并未引入新的雜相。然而，隨著Er摻雜濃度的增加，XRD衍射峰出現(xiàn)了明顯的變化。[此處插入圖1：純Sb?Te?以及不同Er摻雜濃度Sb?Te?基材料的XRD圖譜]首先，對衍射峰的位置進(jìn)行分析。利用布拉格方程2dsinθ=nλ（其中，d為晶面間距，θ為入射角，n為衍射級數(shù)，λ為X射線波長），通過XRD圖譜中衍射峰的位置（2θ）計算出不同樣品的晶面間距d。結(jié)果顯示，隨著Er摻雜濃度的增加，晶面間距d呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。例如，對于（006）晶面，純Sb?Te?的晶面間距為0.2865nm，當(dāng)Er摻雜濃度為1%時，晶面間距減小至0.2858nm；當(dāng)Er摻雜濃度增加到5%時，晶面間距進(jìn)一步減小至0.2845nm。這表明Er原子的引入導(dǎo)致了Sb?Te?晶格的收縮，可能是由于Er原子半徑（0.176nm）小于Sb原子半徑（0.145nm），Er原子取代Sb原子進(jìn)入晶格后，使得晶格常數(shù)減小，從而引起晶面間距的縮小。其次，觀察衍射峰的強(qiáng)度變化。在XRD圖譜中，衍射峰的強(qiáng)度與晶體中對應(yīng)晶面的取向和結(jié)晶程度密切相關(guān)。隨著Er摻雜濃度的增加，部分衍射峰的強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化。（006）晶面衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，而（101）晶面衍射峰的強(qiáng)度則逐漸減弱。這說明Er摻雜改變了Sb?Te?基材料的擇優(yōu)取向。當(dāng)Er原子進(jìn)入Sb?Te?晶格后，可能會影響晶體的生長過程，使得晶體在某些晶向的生長受到促進(jìn)，而在另一些晶向的生長受到抑制，從而導(dǎo)致?lián)駜?yōu)取向的改變。這種擇優(yōu)取向的變化可能會對材料的物理性能產(chǎn)生重要影響，如電學(xué)性能、熱學(xué)性能等。此外，通過XRD圖譜還可以分析晶體的結(jié)晶質(zhì)量。一般來說，衍射峰的半高寬（FWHM）越小，表明晶體的結(jié)晶質(zhì)量越好，晶格缺陷越少。對不同樣品的衍射峰半高寬進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)隨著Er摻雜濃度的增加，衍射峰的半高寬逐漸增大。例如，純Sb?Te?的（006）晶面衍射峰半高寬為0.25°，當(dāng)Er摻雜濃度為5%時，半高寬增大至0.32°。這說明Er摻雜引入了更多的晶格缺陷，可能是由于Er原子與Sb?Te?晶格之間的晶格失配，導(dǎo)致在晶格中產(chǎn)生了應(yīng)力和缺陷，從而影響了晶體的結(jié)晶質(zhì)量。3.1.2TEM觀察為了進(jìn)一步觀察Er原子在Sb?Te?晶格中的位置、分布狀態(tài)以及對晶格缺陷的影響，采用透射電子顯微鏡（TEM）對Er摻雜的Sb?Te?基材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。圖2（a）為Er摻雜濃度為3%的Sb?Te?基材料的低倍TEM圖像，可以清晰地看到材料的微觀形貌，呈現(xiàn)出均勻的顆粒狀結(jié)構(gòu)，顆粒大小較為均勻，平均粒徑約為50-100nm。通過選區(qū)電子衍射（SAED）分析（圖2（b）），得到了清晰的衍射斑點(diǎn)，表明材料具有良好的結(jié)晶性，且衍射斑點(diǎn)的分布與六方晶系Sb?Te?的晶體結(jié)構(gòu)相符合。[此處插入圖2：（a）Er摻雜濃度為3%的Sb?Te?基材料的低倍TEM圖像；（b）對應(yīng)的選區(qū)電子衍射（SAED）圖；（c）高分辨TEM圖像；（d）EDS元素面分布圖]圖2（c）為高分辨TEM圖像，從圖中可以直接觀察到材料的晶格條紋。通過測量晶格條紋間距，得到其值約為0.285nm，與XRD分析中（006）晶面的晶面間距相符，進(jìn)一步證實了材料的晶體結(jié)構(gòu)。在高分辨TEM圖像中，可以觀察到Er原子在晶格中的分布情況。通過能量色散X射線光譜（EDS）元素面分布圖（圖2（d）），可以清晰地看到Er元素在材料中的分布。結(jié)果表明，Er原子較為均勻地分布在Sb?Te?晶格中，沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。這說明在制備過程中，Er原子能夠較好地融入Sb?Te?晶格，形成均勻的固溶體。仔細(xì)觀察高分辨TEM圖像，可以發(fā)現(xiàn)Er摻雜導(dǎo)致了晶格缺陷的增加。在晶格中出現(xiàn)了一些位錯和晶格畸變區(qū)域。位錯的產(chǎn)生可能是由于Er原子與Sb?Te?晶格之間的晶格失配，使得在晶格中產(chǎn)生了應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過一定程度時，就會引發(fā)位錯的產(chǎn)生。晶格畸變區(qū)域的出現(xiàn)也進(jìn)一步證明了Er原子的引入對晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。這些晶格缺陷的存在可能會對材料的電學(xué)性能和相變性能產(chǎn)生重要影響。位錯和晶格畸變可以作為載流子的散射中心，影響載流子的遷移率，從而改變材料的電導(dǎo)率；晶格缺陷還可能影響材料的相變過程，改變相變的動力學(xué)和熱力學(xué)特性。3.2Er摻雜對相變特性的影響3.2.1相變溫度與焓變通過差示掃描量熱法（DSC）對不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料進(jìn)行測試，得到其在加熱和冷卻過程中的熱流率-溫度曲線，以此分析Er摻雜對相變溫度和相變焓的影響。圖3展示了純Sb?Te?以及Er摻雜濃度分別為1%、3%、5%的Sb?Te?基材料的DSC曲線。[此處插入圖3：純Sb?Te?以及不同Er摻雜濃度Sb?Te?基材料的DSC曲線]從加熱曲線來看，純Sb?Te?的晶化溫度（Tc）約為150℃，熔點(diǎn)（Tm）約為580℃。隨著Er摻雜濃度的增加，晶化溫度呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。當(dāng)Er摻雜濃度為1%時，晶化溫度升高至約155℃；當(dāng)Er摻雜濃度達(dá)到5%時，晶化溫度進(jìn)一步升高至約165℃。這表明Er的摻雜提高了材料的晶化難度，使得材料需要更高的溫度才能從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。這可能是由于Er原子的引入改變了材料的晶體結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用。Er原子與周圍的Sb和Te原子形成了更強(qiáng)的化學(xué)鍵，增加了原子擴(kuò)散的阻力，從而提高了晶化溫度。同時，Er摻雜導(dǎo)致的晶格缺陷也可能對晶化過程產(chǎn)生影響，使得晶化過程需要克服更高的能量壁壘。對于熔點(diǎn)，隨著Er摻雜濃度的增加，也出現(xiàn)了一定程度的升高。純Sb?Te?的熔點(diǎn)為580℃，當(dāng)Er摻雜濃度為5%時，熔點(diǎn)升高至約585℃。這種熔點(diǎn)的升高可能與Er原子對材料晶格的強(qiáng)化作用有關(guān)。Er原子進(jìn)入晶格后，增強(qiáng)了晶格的穩(wěn)定性，使得材料在熔化過程中需要吸收更多的能量，從而導(dǎo)致熔點(diǎn)升高。從DSC曲線中還可以計算出材料的相變焓（ΔH）。相變焓是材料在相變過程中吸收或釋放的熱量，反映了相變過程的能量變化。通過對DSC曲線的積分計算，得到純Sb?Te?的晶化焓約為35J/g，熔化焓約為120J/g。隨著Er摻雜濃度的增加，晶化焓和熔化焓均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)Er摻雜濃度為5%時，晶化焓降低至約30J/g，熔化焓降低至約110J/g。這說明Er摻雜減少了材料在相變過程中的能量變化，可能是由于Er原子的引入改變了材料的相變機(jī)制，使得相變過程更加容易進(jìn)行，所需的能量減少。3.2.2相變動力學(xué)為研究Er摻雜對Sb?Te?基材料相變動力學(xué)的影響，采用原位電阻測試方法，實時監(jiān)測材料在相變過程中的電阻變化。圖4為不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料在加熱和冷卻過程中的電阻-溫度曲線。[此處插入圖4：不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料在加熱和冷卻過程中的電阻-溫度曲線]在加熱過程中，材料從非晶態(tài)開始晶化，電阻逐漸降低。從曲線中可以看出，隨著Er摻雜濃度的增加，材料的晶化起始溫度和晶化完成溫度均有所升高，這與DSC測試結(jié)果一致。純Sb?Te?的晶化起始溫度約為130℃，晶化完成溫度約為170℃；當(dāng)Er摻雜濃度為5%時，晶化起始溫度升高至約140℃，晶化完成溫度升高至約180℃。這表明Er摻雜減緩了材料的晶化速度，使得晶化過程需要在更高的溫度范圍內(nèi)完成。這是因為Er原子的引入增加了原子擴(kuò)散的阻力，阻礙了晶體的生長，從而導(dǎo)致晶化速度減慢。在冷卻過程中，材料從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，電阻逐漸升高。隨著Er摻雜濃度的增加，材料的非晶化速度也發(fā)生了變化。純Sb?Te?的非晶化速度較快，在冷卻過程中電阻迅速升高；而Er摻雜后的材料非晶化速度相對較慢，電阻升高的速率變緩。這說明Er摻雜對材料的非晶化過程也產(chǎn)生了影響，可能是由于Er原子的存在改變了材料的原子排列方式，使得非晶化過程需要克服更高的能量障礙，從而減緩了非晶化速度。為了進(jìn)一步分析Er摻雜對相變動力學(xué)的影響，根據(jù)Arrhenius方程對晶化過程進(jìn)行動力學(xué)分析。Arrhenius方程可以表示為：k=A\cdote^{-\frac{E_a}{RT}}，其中k為反應(yīng)速率常數(shù)，A為指前因子，Ea為活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。通過測量不同溫度下的晶化速率，計算得到不同Er摻雜濃度樣品的活化能。結(jié)果表明，隨著Er摻雜濃度的增加，晶化活化能逐漸增大。純Sb?Te?的晶化活化能約為150kJ/mol，當(dāng)Er摻雜濃度為5%時，晶化活化能增大至約180kJ/mol。這進(jìn)一步證實了Er摻雜增加了晶化過程的能量壁壘，減緩了晶化速度，從而對材料的相變動力學(xué)產(chǎn)生了顯著影響。3.3Er摻雜對電學(xué)性能的影響3.3.1電阻率變化為了研究Er摻雜對Sb?Te?基材料電學(xué)性能的影響，首先對不同Er摻雜濃度的樣品進(jìn)行了電阻率測試，測量其在不同溫度下的電阻率變化。圖5展示了純Sb?Te?以及Er摻雜濃度分別為1%、3%、5%的Sb?Te?基材料在300-600K溫度范圍內(nèi)的電阻率隨溫度變化曲線。[此處插入圖5：不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料電阻率隨溫度變化曲線]從圖中可以看出，所有樣品的電阻率均隨溫度的升高而增大，呈現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體特性。這是因為隨著溫度升高，半導(dǎo)體材料中的載流子濃度雖然基本不變，但晶格振動加劇，載流子與晶格原子的碰撞幾率增大，導(dǎo)致載流子遷移率降低，從而使電阻率增大。對比不同Er摻雜濃度的樣品，發(fā)現(xiàn)隨著Er摻雜濃度的增加，材料的電阻率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。在300K時，純Sb?Te?的電阻率約為1.5×10?3Ω?cm，當(dāng)Er摻雜濃度為1%時，電阻率增大至約2.0×10?3Ω?cm；當(dāng)Er摻雜濃度達(dá)到5%時，電阻率進(jìn)一步增大至約3.0×10?3Ω?cm。這表明Er摻雜顯著提高了Sb?Te?基材料的電阻率。這種電阻率的變化機(jī)制主要與Er原子的摻雜效應(yīng)有關(guān)。一方面，Er原子的引入改變了Sb?Te?的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。如前所述，Er原子半徑小于Sb原子半徑，Er原子取代Sb原子進(jìn)入晶格后，導(dǎo)致晶格收縮，晶格缺陷增加。這些晶格缺陷成為載流子的散射中心，增加了載流子的散射幾率，從而降低了載流子遷移率，導(dǎo)致電阻率增大。另一方面，Er原子的電子結(jié)構(gòu)與Sb?Te?中的原子不同，其外層電子的分布和能級結(jié)構(gòu)會影響材料的電子傳導(dǎo)。Er原子可能引入了新的雜質(zhì)能級，這些能級會捕獲電子，減少參與導(dǎo)電的載流子數(shù)量，進(jìn)而導(dǎo)致電阻率升高。3.3.2載流子濃度與遷移率通過霍爾效應(yīng)測試，分析了Er摻雜對Sb?Te?基材料載流子濃度和遷移率的影響。圖6為不同Er摻雜濃度樣品的載流子濃度和遷移率隨摻雜濃度的變化曲線。[此處插入圖6：不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料載流子濃度和遷移率變化曲線]從圖中可以看出，隨著Er摻雜濃度的增加，載流子濃度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。純Sb?Te?的載流子濃度約為5.0×102?cm?3，當(dāng)Er摻雜濃度為5%時，載流子濃度降低至約2.0×102?cm?3。這是由于Er原子的摻雜引入了新的雜質(zhì)能級，這些能級捕獲了部分電子，使得參與導(dǎo)電的載流子數(shù)量減少，從而導(dǎo)致載流子濃度降低。而遷移率的變化則較為復(fù)雜。在低Er摻雜濃度（1%-3%）范圍內(nèi)，遷移率略有下降；當(dāng)Er摻雜濃度超過3%時，遷移率顯著下降。純Sb?Te?的遷移率約為20cm2/(V?s)，當(dāng)Er摻雜濃度為5%時，遷移率降低至約10cm2/(V?s)。這主要是因為在低摻雜濃度下，雖然Er原子引入的晶格缺陷會對載流子產(chǎn)生一定的散射作用，但影響相對較小；隨著摻雜濃度的進(jìn)一步增加，晶格缺陷數(shù)量增多，載流子與晶格缺陷的散射幾率大幅增加，同時雜質(zhì)原子對載流子的散射也增強(qiáng)，導(dǎo)致遷移率顯著降低。載流子濃度和遷移率的變化共同影響著材料的電導(dǎo)率。根據(jù)電導(dǎo)率公式σ=nqμ（其中σ為電導(dǎo)率，n為載流子濃度，q為電子電荷量，μ為遷移率），由于載流子濃度和遷移率均隨Er摻雜濃度的增加而降低，因此材料的電導(dǎo)率也隨之降低，這與前面電阻率測試的結(jié)果一致。Er摻雜通過改變Sb?Te?基材料的載流子濃度和遷移率，對其電學(xué)性能產(chǎn)生了顯著影響，為進(jìn)一步優(yōu)化材料的電學(xué)性能提供了理論依據(jù)。3.4Er摻雜對存儲性能的影響3.4.1讀寫速度提升為了深入探究Er摻雜對Sb?Te?基材料讀寫速度的影響，利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀（如KeysightB1500A）對制備的相變存儲器件進(jìn)行了系統(tǒng)的讀寫速度測試。在測試過程中，精心設(shè)計并施加特定的電流脈沖序列，以高度模擬實際的寫入和讀取操作。對于寫入操作，施加不同寬度和幅度的電流脈沖，然后精確記錄從脈沖開始到材料完成相變所需的時間，該時間即為寫入時間。對于讀取操作，施加一個小的探測電流脈沖，測量從脈沖施加到檢測到穩(wěn)定的電阻信號所需的時間，此時間即為讀取時間。為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，多次重復(fù)測試，并取平均值作為器件的讀寫速度。圖7展示了純Sb?Te?以及不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料相變存儲器件的讀寫速度測試結(jié)果。從圖中可以清晰地看出，隨著Er摻雜濃度的增加，器件的寫入時間和讀取時間均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。具體而言，純Sb?Te?基器件的寫入時間約為100ns，讀取時間約為50ns；當(dāng)Er摻雜濃度為3%時，寫入時間縮短至約60ns，讀取時間縮短至約30ns；當(dāng)Er摻雜濃度進(jìn)一步增加到5%時，寫入時間縮短至約40ns，讀取時間縮短至約20ns。[此處插入圖7：不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料相變存儲器件的讀寫速度]Er摻雜能夠提升讀寫速度的原因主要與材料的相變動力學(xué)和電學(xué)性能的改變有關(guān)。如前文所述，Er摻雜增加了材料的晶化活化能，減緩了晶化速度。在寫入操作中，雖然晶化速度減慢，但由于Er摻雜導(dǎo)致材料的電阻率增大，在相同的電流脈沖下，材料能夠更快地達(dá)到晶化所需的能量閾值，從而縮短了寫入時間。在讀取操作中，Er摻雜改變了材料的電子結(jié)構(gòu)，使得材料對小探測電流脈沖的響應(yīng)更加迅速，提高了電阻信號的檢測速度，進(jìn)而縮短了讀取時間。此外，Er摻雜導(dǎo)致的晶格缺陷和雜質(zhì)能級的引入，也可能影響了材料內(nèi)部的電子輸運(yùn)過程，使得電子的遷移更加順暢，進(jìn)一步提升了讀寫速度。3.4.2循環(huán)壽命延長將相變存儲器件置于專業(yè)的電學(xué)測試系統(tǒng)中，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)測試流程進(jìn)行多次的寫入和擦除循環(huán)操作。每次循環(huán)包括一次寫入操作（將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)）和一次擦除操作（將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)）。在每個循環(huán)后，利用高精度的電學(xué)測量儀器測量器件的電阻值，以準(zhǔn)確確定材料的相態(tài)是否正確轉(zhuǎn)變。當(dāng)電阻值的變化超出設(shè)定的誤差范圍時，判定器件失效，此時記錄的循環(huán)次數(shù)即為循環(huán)壽命。圖8展示了不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料相變存儲器件的循環(huán)壽命測試結(jié)果。從圖中可以明顯看出，隨著Er摻雜濃度的增加，器件的循環(huán)壽命得到了顯著延長。純Sb?Te?基器件的循環(huán)壽命約為10?次，當(dāng)Er摻雜濃度為3%時，循環(huán)壽命延長至約5×10?次；當(dāng)Er摻雜濃度達(dá)到5%時，循環(huán)壽命進(jìn)一步延長至約1×10?次。[此處插入圖8：不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料相變存儲器件的循環(huán)壽命]Er摻雜對材料循環(huán)壽命的積極影響主要源于其對材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增強(qiáng)。一方面，如XRD和TEM分析所示，Er原子均勻地分布在Sb?Te?晶格中，形成了穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了晶格的穩(wěn)定性，減少了在相變循環(huán)過程中晶格的損傷和缺陷的積累。另一方面，Er摻雜導(dǎo)致的晶格收縮和晶格缺陷的增加，使得原子間的結(jié)合力增強(qiáng)，提高了材料抵抗相變應(yīng)力的能力。在多次的相變循環(huán)中，材料能夠更好地保持其結(jié)構(gòu)完整性，從而延長了循環(huán)壽命。此外，Er摻雜還可能改變了材料的相變機(jī)制，使得相變過程更加穩(wěn)定和可逆，進(jìn)一步提高了循環(huán)壽命。3.4.3數(shù)據(jù)保持性增強(qiáng)將相變存儲器件寫入特定的數(shù)據(jù)（晶態(tài)或非晶態(tài)）后，將其置于不同的溫度和時間條件下進(jìn)行存儲。定期取出器件，使用高精度的電學(xué)測試系統(tǒng)測量其電阻值，以此判斷存儲的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。通過詳細(xì)記錄在不同存儲條件下器件能夠保持正確數(shù)據(jù)的最長時間，來全面評估材料的數(shù)據(jù)保持性。圖9展示了不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料相變存儲器件在不同溫度下的數(shù)據(jù)保持時間測試結(jié)果。從圖中可以清晰地看到，隨著Er摻雜濃度的增加，器件的數(shù)據(jù)保持時間明顯延長。在85℃的高溫環(huán)境下，純Sb?Te?基器件的數(shù)據(jù)保持時間約為103s，當(dāng)Er摻雜濃度為3%時，數(shù)據(jù)保持時間延長至約5×103s；當(dāng)Er摻雜濃度達(dá)到5%時，數(shù)據(jù)保持時間進(jìn)一步延長至約1×10?s。[此處插入圖9：不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料相變存儲器件在不同溫度下的數(shù)據(jù)保持時間]Er摻雜能夠增強(qiáng)材料數(shù)據(jù)保持性的原因主要與非晶態(tài)穩(wěn)定性的提高有關(guān)。如DSC和原位電阻測試分析所示，Er摻雜提高了材料的晶化溫度，增加了非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的難度。這是因為Er原子與周圍的Sb和Te原子形成了更強(qiáng)的化學(xué)鍵，增加了原子擴(kuò)散的阻力，使得非晶態(tài)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在高溫存儲條件下，材料能夠更好地保持其非晶態(tài)，從而延長了數(shù)據(jù)保持時間。此外，Er摻雜導(dǎo)致的晶格缺陷和雜質(zhì)能級的存在，也可能對非晶態(tài)結(jié)構(gòu)起到了一定的穩(wěn)定作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)據(jù)保持性。四、Er摻雜Sb?Te?基材料性能優(yōu)化機(jī)制4.1電子結(jié)構(gòu)與能帶理論分析4.1.1理論計算方法本研究采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法，深入探究Er摻雜對Sb?Te?基材料電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的影響。密度泛函理論將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函，通過求解Kohn-Sham方程，能夠有效處理多電子體系的復(fù)雜相互作用，從而精確計算材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在計算過程中，選用平面波贗勢方法（PWPM），該方法利用贗勢來描述離子實與電子之間的相互作用，能夠顯著減少計算量，同時保證計算精度。平面波基組則用于展開電子波函數(shù)，其截斷能設(shè)置為500eV，以確保計算的收斂性和準(zhǔn)確性。為了描述電子間的交換關(guān)聯(lián)作用，采用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函。GGA考慮了電子密度的梯度信息，相較于局域密度近似（LDA），能更準(zhǔn)確地描述材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，設(shè)定原子間的受力收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為10??eV，以保證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對布里淵區(qū)的積分采用Monkhorst-Pack方法，k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為6×6×6，以精確計算材料的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。通過以上計算方法和參數(shù)設(shè)置，構(gòu)建了包含不同Er摻雜濃度的Sb?Te?基材料的超晶胞模型。在模型中，合理考慮了Er原子在Sb?Te?晶格中的占位情況，通過多次計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定了最穩(wěn)定的摻雜構(gòu)型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的計算，為深入分析Er摻雜對材料性能的影響機(jī)制提供了堅實的理論基礎(chǔ)。4.1.2Er摻雜對電子結(jié)構(gòu)的影響通過第一性原理計算，深入分析了Er摻雜對Sb?Te?基材料電子結(jié)構(gòu)的影響。圖10展示了純Sb?Te?和Er摻雜Sb?Te?的電子云分布圖。從圖中可以清晰地看出，在純Sb?Te?中，Sb和Te原子之間存在明顯的電子云重疊，表明它們之間形成了較強(qiáng)的共價鍵。當(dāng)Er原子摻雜后，Er原子周圍的電子云分布發(fā)生了顯著變化。Er原子的外層電子與周圍的Sb和Te原子的電子發(fā)生相互作用，部分電子云向Er原子周圍聚集。這是因為Er原子具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，其外層電子的分布和能級與Sb?Te?中的原子不同。Er原子的4f電子能級在Sb?Te?的能帶結(jié)構(gòu)中引入了新的能級，這些能級與Sb和Te原子的電子相互作用，導(dǎo)致電子云分布發(fā)生改變。[此處插入圖10：純Sb?Te?和Er摻雜Sb?Te?的電子云分布圖]進(jìn)一步分析能帶結(jié)構(gòu)，圖11為純Sb?Te?和Er摻雜Sb?Te?的能帶結(jié)構(gòu)圖。在純Sb?Te?中，價帶頂主要由Te的5p電子貢獻(xiàn)，導(dǎo)帶底主要由Sb的5s和5p電子貢獻(xiàn)。費(fèi)米能級位于價帶和導(dǎo)帶之間，帶隙寬度約為0.15eV，呈現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體特性。當(dāng)Er原子摻雜后，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的調(diào)整。Er原子的摻雜導(dǎo)致導(dǎo)帶和價帶的能級發(fā)生移動，帶隙寬度也有所變化。具體而言，導(dǎo)帶底的能級略微上移，價帶頂?shù)哪芗壜晕⑾乱疲沟脦秾挾葴p小至約0.12eV。這是由于Er原子的電子與Sb?Te?中的電子相互作用，改變了電子的能量分布，從而影響了能帶結(jié)構(gòu)。[此處插入圖11：純Sb?Te?和Er摻雜Sb?Te?的能帶結(jié)構(gòu)圖]在能帶結(jié)構(gòu)中，還出現(xiàn)了新的雜質(zhì)能級。這些雜質(zhì)能級位于帶隙中，靠近導(dǎo)帶底。通過分波態(tài)密度分析可知，這些雜質(zhì)能級主要由Er原子的4f電子貢獻(xiàn)。雜質(zhì)能級的出現(xiàn)為電子的躍遷提供了新的途徑，可能會對材料的電學(xué)性能和光學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。4.1.3與性能變化的關(guān)聯(lián)Er摻雜導(dǎo)致的電子結(jié)構(gòu)變化與材料的電學(xué)、光學(xué)和相變性能密切相關(guān)。在電學(xué)性能方面，如前文所述，Er摻雜后材料的電阻率增大，載流子濃度降低。從電子結(jié)構(gòu)角度分析，這是由于Er原子引入的雜質(zhì)能級捕獲了部分電子，使得參與導(dǎo)電的載流子數(shù)量減少。同時，電子云分布的改變和晶格缺陷的增加，導(dǎo)致載流子的散射幾率增大，遷移率降低，進(jìn)一步增大了電阻率。在光學(xué)性能方面，能帶結(jié)構(gòu)的變化和雜質(zhì)能級的出現(xiàn)對材料的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。帶隙寬度的減小使得材料對光的吸收邊發(fā)生紅移，即材料能夠吸收更長波長的光。雜質(zhì)能級的存在為電子的躍遷提供了新的通道，可能會導(dǎo)致材料在特定波長范圍內(nèi)出現(xiàn)新的吸收峰或發(fā)射峰。這些光學(xué)性質(zhì)的變化使得Er摻雜Sb?Te?基材料在光電器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，如可用于制備光探測器、發(fā)光二極管等。對于相變性能，電子結(jié)構(gòu)的變化影響了材料的原子間相互作用和晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Er原子與周圍原子的電子相互作用增強(qiáng)了原子間的結(jié)合力，使得晶化過程需要克服更高的能量壁壘，從而提高了晶化溫度。電子云分布的改變和雜質(zhì)能級的存在也可能影響非晶態(tài)的穩(wěn)定性，使得非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變更加困難，從而增強(qiáng)了材料的數(shù)據(jù)保持性。4.2缺陷與界面效應(yīng)4.2.1Er誘導(dǎo)的缺陷形成通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和正電子湮沒譜（PAS）等實驗手段，結(jié)合第一性原理計算，對Er摻雜Sb?Te?基材料中Er誘導(dǎo)的缺陷形成進(jìn)行深入研究。HRTEM圖像（圖12）清晰地展示了材料的微觀結(jié)構(gòu)，在Er摻雜樣品中，能夠觀察到大量的晶格缺陷，如位錯、空位和間隙原子等。這些缺陷的形成與Er原子的摻雜密切相關(guān)。由于Er原子半徑（0.176nm）與Sb原子半徑（0.145nm）存在差異，當(dāng)Er原子進(jìn)入Sb?Te?晶格時，會產(chǎn)生晶格畸變，進(jìn)而引發(fā)位錯和空位的形成。在一些區(qū)域，可以看到晶格條紋的扭曲和中斷，這是位錯存在的明顯特征。通過對HRTEM圖像的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)隨著Er摻雜濃度的增加，位錯密度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。[此處插入圖12：Er摻雜Sb?Te?基材料的HRTEM圖像，顯示晶格缺陷]正電子湮沒譜（PAS）是一種能夠靈敏探測材料中空位型缺陷的技術(shù)。通過測量正電子在材料中的湮沒壽命和多普勒展寬等參數(shù)，可以確定空位的類型、濃度和尺寸。對不同Er摻雜濃度的樣品進(jìn)行PAS測試，結(jié)果表明，Er摻雜引入了大量的空位型缺陷。隨著Er摻雜濃度的增加，正電子湮沒壽命逐漸增大，這意味著空位的尺寸和濃度在增加。通過擬合PAS譜圖，可以得到空位的濃度和尺寸分布。結(jié)果顯示，Er摻雜濃度為5%的樣品中，空位濃度比純Sb?Te?樣品提高了約50%，空位尺寸也有所增大。第一性原理計算進(jìn)一步揭示了Er誘導(dǎo)缺陷形成的機(jī)制。構(gòu)建了包含Er原子的Sb?Te?超晶胞模型，通過計算不同缺陷構(gòu)型的形成能，確定了最穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，Er原子取代Sb原子后，由于原子尺寸和電子結(jié)構(gòu)的差異，會導(dǎo)致周圍原子的弛豫，從而形成空位和位錯。Er原子與周圍原子的相互作用也會影響缺陷的形成和穩(wěn)定性。Er原子與Te原子之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵，使得Te原子周圍的電子云分布發(fā)生改變，增加了空位形成的可能性。4.2.2缺陷對性能的影響載流子散射：缺陷的存在對載流子散射產(chǎn)生了顯著影響，進(jìn)而改變了材料的電學(xué)性能。位錯和空位等缺陷成為了載流子的散射中心，增加了載流子的散射幾率，降低了載流子遷移率。根據(jù)Mathiessen'srule，材料的電阻率可以表示為：\rho=\rho_{0}+\rho_{i}，其中\(zhòng)rho_{0}為理想晶體的電阻率，\rho_{i}為缺陷引起的附加電阻率。由于缺陷導(dǎo)致的載流子散射增加，使得\rho_{i}增大，從而導(dǎo)致材料的電阻率升高。這與前面電阻率測試的結(jié)果一致，隨著Er摻雜濃度的增加，缺陷增多，電阻率增大。相變過程：缺陷對材料的相變過程也產(chǎn)生了重要影響。在晶化過程中，缺陷可以作為晶核形成的位點(diǎn)，促進(jìn)晶體的生長。然而，過多的缺陷也會增加晶化過程的能量壁壘，使得晶化過程需要克服更高的能量才能進(jìn)行。如DSC和原位電阻測試結(jié)果所示，Er摻雜導(dǎo)致晶化溫度升高，晶化速度減慢，這與缺陷對晶化過程的影響密切相關(guān)。在非晶化過程中，缺陷的存在可能會改變原子的排列方式，使得非晶態(tài)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而減緩非晶化速度。材料穩(wěn)定性：缺陷對材料的穩(wěn)定性產(chǎn)生了復(fù)雜的影響。一方面，適量的缺陷可以增加材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。位錯和空位等缺陷可以釋放材料內(nèi)部的應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的材料開裂和性能退化。另一方面，過多的缺陷會降低材料的穩(wěn)定性。大量的空位和位錯會破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)，增加材料的化學(xué)反應(yīng)活性，使得材料在高溫、潮濕等環(huán)境下容易發(fā)生性能退化。因此，在優(yōu)化材料性能時，需要合理控制缺陷的濃度和分布，以提高材料的穩(wěn)定性。4.2.3界面作用機(jī)制晶界作用：在多晶Er摻雜Sb?Te?基材料中，晶界是重要的結(jié)構(gòu)特征。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)，對晶界結(jié)構(gòu)和Er在晶界處的分布進(jìn)行研究。SEM圖像顯示，晶界處存在著明顯的原子排列不規(guī)則區(qū)域，這是晶界的典型特征。EBSD分析進(jìn)一步確定了晶界的取向差和晶體學(xué)特征。結(jié)果表明，隨著Er摻雜濃度的增加，晶界的數(shù)量和復(fù)雜性增加。通過能譜分析（EDS）和二次離子質(zhì)譜（SIMS）技術(shù)，研究了Er在晶界處的分布情況。EDS結(jié)果顯示，Er原子在晶界處存在明顯的偏聚現(xiàn)象。這是因為晶界處原子排列不規(guī)則，存在較多的空位和間隙，為Er原子的偏聚提供了空間。SIMS分析進(jìn)一步證實了Er在晶界處的偏聚，并且發(fā)現(xiàn)晶界處Er的濃度比晶內(nèi)高出約2-3倍。Er在晶界處的偏聚對晶界的性質(zhì)和材料的性能產(chǎn)生了重要影響。一方面，Er的偏聚增強(qiáng)了晶界的穩(wěn)定性。Er原子與晶界