基于AFM和硫系相变材料的超高密度数据存储机理研究

摘要

当前，互联网、多媒体视频、高速计算机等技术的迅猛发展，使人们对更快速度、更大容量数据存储器的需求越来越迫切，然而传统的磁存储、光存储和半导体存储由于受到超顺磁效应、衍射现象和最小光刻单元的限制，存储密度很难进一步提高。基于扫描探针显微技术(SPM)的数据存储技术由于能够实现纳米尺度的信息存储，因此有望成为新一代的超高密度存储技术。基于此，本论文将光学存储中常用的硫系相变薄膜材料GeSb2Te4引入到SPM存储技术中，提出了基于热、电耦合效应的新型高密度数据存储方法，并对其存储机理及其它有关问题进行了详细研究。
　　 在分析硫系材料相变原理，以及作为存储介质的存储机理基础上，结合原子力显微镜(AFM)技术，提出了基于相变存储介质的探针存储系统模型，并对数据的写入、擦除、读取机理进行了阐述；自行搭建了一种新颖的基于扫描探针显微镜的相变存储实验装置，用来进行存储实验验证。
　　 发展了存储介质多层薄膜的制备方法，并通过实验对比和形貌分析，探索出薄膜制备的工艺路线和工艺参数。借助X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、等离子发射光谱仪(ICP)等设备对GeSb2Te4薄膜的成分、状态及内部结构进行了详细分析，发现沉积态薄膜是非晶态，而随着退火温度的提高，会发生两次固体相转变，通过XRD表征可知第一次转变形成的是fcc结构，第二次形成的是hex结构，由此提出了GeSb2Te4材料的fcc结构和hex结构模型。利用经典形核理论对JMAK理论进行了优化，突破了其应用局限性，用相关公式预测了GeSbETe4薄膜的形核时间和晶粒尺寸，以确定此种材料是否满足作为存储介质的要求；同时用优化的模型计算结果与实验结果相比较，具有较好的一致性。
　　 利用差示扫描量热(DSC)方法分析GeSbaTe4薄膜在不同退火温度，不同加热速度条件下的结构和热物性参数，并得到不同加热速度下的结晶温度和玻璃转化温度。利用四点探针测电阻方法测量了GeSb2Te4薄膜不同退火温度下的电阻率，发现沉积态薄膜的电阻率远远大于fcc结构和hex结构；另外，对薄膜的I-V特性和导电激活能也进行了比较全面的研究。应用Tribolndenter纳米力学测试系统考察了GeSb2Te4薄膜的硬度、弹性模量、粘附力和摩擦力等力学性能，并对溅射参数、薄膜厚度、相对湿度和表面粗糙度等对力学性能的影响进行了详细的分析；发现薄膜表面质量越好，硬度和弹性模量越高；相对湿度越高，探针针尖与薄膜表面的粘附力和摩擦力越大。采用ASC2000应力测试仪测量了薄膜的内应力，并研究了溅射功率和退火温度对薄膜表面残余应力的影响。
　　 基于相变探针存储系统原理，建立了用于有限元仿真的存储器结构模型以及热电耦合数学模型。在此基础上，利用多物理场耦合软件COMSOLMultiphysics模拟了施加不同宽度、幅值脉冲电压情况下的信息写入过程和擦除过程，通过分析电压对相变存储介质温度场的影响，找出合适的电压参数；并利用相变探针实验装置进行了实验验证。另外，对探针和导电层的电导率、热导率以及探针针尖直径对相变薄膜温度场的影响也进行了全面的分析，为后续工作中进一步优化存储系统结构提供了有力的支持。
　　 本论文研究成果可以应用于超高密度信息存储的设计，对于建立新型信息存储技术的理论体系具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 常用数据存储技术简介

1.2.1 磁存储技术

1.2.2 半导体存储技术

1.2.3 光存储技术

1.3 高密度存储技术发展现状

1.3.1 高密度磁存储技术

1.3.2 高密度半导体存储技术

1.3.3 高密度光存储技术

1.3.4 超高密度扫描探针存储技术

1.4 本论文的研究意义及目标

1.5 本论文研究内容及结构安排

参考文献

第二章 存储原理与实验系统设计

2.1 硫系相变材料概述

2.1.1 相变原理

2.1.2 相变存储原理

2.1.3 相变材料的选择

2.2 原子力显微镜概述

2.2.1 AFM工作原理

2.2.2 AFM工作模式

2.3 相变探针存储机理

2.3.1 信息写入机理

2.3.2 信息擦除机

2.3.3 信息读取机理

2.4 实验系统

2.5 本章小结

参考文献

第三章 存储介质的制备及表征

3.1 电极层的制备

3.2 GeSb2Te4薄膜的制备

3.2.1 表面形貌分析

3.2.2 表面形貌的分形表征

3.3 GeSb2Te4薄膜分析

3.3.1 成分分析

3.3.2 状态分析

3.3.3 内部结构分析

3.3.4 晶化分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 存储介质热、电、力学性能分析

4.1 热学性能分析

4.1.1 差示扫描量热分析原理

4.1.2 热学参数测定

4.2 电学性能分析

4.2.1 四探针测薄膜电阻原理

4.2.2 电阻率分析

4.2.3 I-V特性分析

4.2.4 导电激活能分析

4.3 力学性能分析

4.3.1 纳米压痕测试原理

4.3.2 硬度和弹性模量分析

4.3.3 粘附与摩擦性能分析

4.3.4 应力分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 相变探针存储过程有限元仿真

5.1 热电耦合模型

5.2 写入过程仿真

5.2.1 时间对写入过程的影响

5.2.2 电压对写入过程的影响

5.3 擦除过程仿真

5.4 实验验证

5.5 结构参数分析

5.5.1 探针对存储过程的影晌

5.5.2 电极层对存储过程的影响

5.6 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

攻读学位期间发表的学术论文