文摘

在的可伸缩性₂Se₃相变材料之一,调查。通过沉积材料nanopatterned衬底上,个人在₂Se₃发光机制局限在对纳米坑与明确的形状和尺寸允许的系统研究的最终比例限制其作为相变内存元素。在₂Se₃逐渐较小的体积加热在透射电子显微镜操作在衍射模式。的体积amorphous-crystalline过渡不再可以观察到的是作为最终的比例限制,这是大约5海里³因为在₂Se₃。物理存在的比例限制。使用相变内存元素在内存层次结构被认为是减少能源消费,因为他们在记忆细胞消耗零泄漏。因此,相变存储器的应用带来了巨大的节能的重要性。

1。介绍

硫族化物相变材料(PCM)是一个家庭的材料与著名的电导率对比无定形状态(高电阻)和结晶状态(高导电)[1]。当用作非易失性内存元素,crystalline-to-amorphous相变是传统通过电阻加热电流脉冲,在上面的材料被加热到熔化温度之后,快速淬火材料被冻结在无定形状态。相反amorphous-to-crystalline过渡是通过加热到熔化温度以下紧随其后逐渐降低温度形成的结晶状态(2- - - - - -4]。在内存中使用相变内存元素非易失存储器层次结构被认为是减少能源消费,因为他们在记忆细胞消耗零泄漏。这种优势使得相变内存元素完美的候选人在内存行业由于其优良的性能在能源消费。由于摩尔定律(5),系统功能迅速增加与减少设备尺寸同样大小的包。技术发展的关键问题相变随机存取记忆(极化)是最终的比例限制。尽管一些散装PCM的相变形式由专门小组研究[3,6- - - - - -8)和通用电气极限阶段的变化₂某人₂Te₅据报道(9),大小的影响₂Se₃,另一个重要的候选人在PCM的家庭,还没有被报道。规模效应开始发挥重要作用随着PCM设备规模进一步下降到低于10纳米。在这些纳米尺度维度——(a)结晶温度和熔化温度是一样的散装和(b)结晶状态需要远程命令无定形和结晶状态可能不是热的。因此,一个PCM是否可能提出的问题有大小限制;即结晶状态变得不稳定当体积减少到一定值。在这部作品中,可伸缩性和最终的大小限制₂Se₃正在调查中。通过沉淀₂Se₃到一个独特的nanopit衬底,nano-volume大小的影响₂Se₃局限在个别nanopits可以研究。递减的底层物理结晶状态进行了探讨。

2。实验

nanopit衬底的制备是通过硅的各向异性KOH腐蚀。图1显示了nanopit衬底的扫描电镜图像。详细流程之前报道(10]。nanopit是自动锋利的尖端曲率半径是小于1 nm (11]。非晶态的₂Se₃与不同的公称厚度由溅射沉积到nanopit衬底,SiO紧随其后₂覆盖层来防止氧化₂Se₃。as-deposited电影的形态是由干细胞研究。为了确定最终的大小限制,原位加热使用TEM观察nano-volume的结晶和熔融行为₂Se₃。

3所示。结果和讨论

3.1。的报道中₂Se₃Nanopit衬底上

六种不同厚度(2、3、5、8,23岁和45海里)的₂Se₃nanopitted衬底上沉积。干细胞的研究显示,两种形态存在根据名义膜厚度。在图2(一个),如果nanopit衬底。生坑的图像的对比主要从质量厚度对比Si是唯一的元素在样例(12]。同样,图的对比2 (c),显示了45纳米的名义膜厚度₂Se₃nanopit衬底,也来自质量厚度对比只因为在₂Se₃覆盖整个样品表面。两幅图像的形态的区别是坑地区开放区域的大小。较小的开放区域的45纳米样品的结果₂Se₃填坑,整个基质涂层均匀,形成一个正形的电影。23海里(图中未显示)样本也顺从地涂,与类似的形态如图2 (c)。另一方面,样品2,3,5,8海里名义保角情况下的膜厚度是不同的。在图2 (b),这部电影的报道2 nm示例所示(形态的3、5、8海里电影一样,这里没有显示)。我们观察到有较轻的对比从光秃秃的坑坑地区相比,示例(图2(一个))。这表明不仅从质量厚度的对比之下,但也从(原子序数)对比。越高材料的数量越多,电子被分散在高角度向高角度环形暗场(HAADF)探测器(12]。因为在₂Se₃比硅更重,应该给一个光明的对比。在这个示例中,坑地区相对深色表面相比,这表明₂Se₃没有填满坑。电影的名义厚度很薄,由于不同界面之间的能量₂Se₃/ Si(100)和₂Se₃/ Si(111),材料存入坑很可能在那里形成发光机制而不是保形的电影。电影报道坑的示意图如图2。

3.2。相变

as-deposited的初始阶段₂Se₃无定形的;因此,样品的衍射图样的光环无定形的戒指₂Se₃从硅衬底和衍射斑点。相变温度是由单一的观察晶体衍射斑点或多晶衍射环出现的结晶₂Se₃因为样品是原位加热。样品温度是第一加热到90°C,稳定,然后退火3分钟。如果没有观察到相变时间,然后增加样本温度在10°C的增量。这个过程重复直到观察到相变。图3显示了结晶温度(与不同的名义膜厚度)的样本。结晶温度的增加观察的名义膜厚度降低。这种结晶行为也观察到薄膜通用电气₂某人₂Te₅、GeSb和某人₂在另一组的工作(Te报告13]。公称厚度的样品2 nm翻译5.3 nm的体积³,没有观察到的结晶。因此,5.3海里³被认为是扩展的极限₂Se₃。我们推测,底层的物理尺度限制现象如下。从热力学角度来看,结晶的驱动力是吉布斯自由能的减少;,更高的能源的无定形的阶段是处于亚稳状态相比,结晶相。然而,对于结晶状态₂Se₃,表面原子无序或有更高的能量比大部分由于晃来晃去的债券。这种能量增加将散装材料,大量的可以忽略不计。但随着体积减少或增加表面体积比,表面原子的更高的能源将成为主导系统的总能量。这意味着体积减少到一定值时,即比例限制,无秩序或结晶状态的自由能是可比的非晶状态;因此,减少晶体状态。另一方面,正如我们所已知的工作机制₂Se₃相变,结晶温度应低于熔化温度。因此,融化的行为₂Se₃也感兴趣的结晶温度升高,体积减少。熔化温度测量的过程类似于结晶。失踪的熔化温度是由多晶衍射环。样品首先加热到280°C,然后退火3分钟在稳定的温度。如果没有发生融化,样品温度增加了10°C。重复这个过程,直到融化。可以看到从图4熔化温度()降低名义膜厚度降低。的体积₂Se₃尺度下,熔化温度下降而结晶温度的升高。的比散装从2.8降到1.7下午5 nm大小。的熔化温度2 nm公称厚度样品无法衡量,因为没有多晶衍射环观察整个加热过程。这表明熔化温度的降低也是一个潜在的原因的比例限制₂Se₃。

4所示。结论

本研究表明,nanopit PCM纳米尺度研究基质是一种独特的模式。nanopit衬底上薄膜覆盖没有正形的名义膜厚度₂Se₃变得非常薄。减少39%的比例和减少的数量来衡量吗₂Se₃,这是一个可能的原因消除相变。在2 nm名义膜厚度,没有观察到的结晶,这表明相应的体积为5.3 nm³的比例限制在吗₂Se₃从这项研究中得出的结论。递减的结晶状态被认为是由于体积小材料占主导地位的表面无秩序。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的名声,星网的六个中心之一,半导体研究公司程序由马可和美国国防部高级研究计划局。黄懿慧谢承认亚历山大•冯•洪堡基金会的支持研究奖,使得这一研究成为可能。