相变材料碲化锑二维薄片的可控制备与表征

摘要

相变材料(Phase-Change Materials)可以通过施加热脉冲或电学脉冲等方式实现晶态与非晶态之间的快速、可逆转换，因而得到了大量的研究和关注。相变材料晶态与非晶态的光学（如折射率）和电学（如电阻率）性质存在着巨大的差异，因此可以被用作多种基于光学和电学读写的信息存储介质，诸如可擦写CD/DVD及相变随机存储器(PC-RAM)。一方面，为提高存储密度和降低擦/写功耗，需要减小相变存储单元的尺寸;但研究发现，传统的薄膜相变材料随着厚度的减小，其晶化温度/活化能升高、晶化时间变长（速率降低），这对擦写效率是不利的。另一方面，对纳米线型相变材料的研究发现，随着线径的减小，其晶化温度、晶化时间和擦/写功耗都会降低，这主要得益于纳米线的单晶结构;然而，纳米线型相变材料的可集成度及其与现有器件工艺的兼容性相对较差。如果能够制备出二维单晶相变材料，原则上上述两种体系各自的优点它可兼而有之，这样是否可以获得优良的相变性能呢？基于这一考虑，本文选定最常用的相变材料Ge-Sb-Te(GST)体系中的二元化合物Sb2Te3为研究对象，通过范德瓦尔斯外延实现了Sb2Te3二维单晶薄片的可控制备，对其结构和性质做了较为系统的表征，通过施加电流脉冲实现了其晶化→非晶化相变，并在非晶化薄片上观测到PC-RAM器件典型的I-V曲线阈值电压效应。本文的各章内容简介如下:
　　第一章首先简述相变材料的发展历程及其在光学存储和电学随机存储器方面的应用;对于传统薄膜型相变材料和纳米线型相变材料，对比介绍其相变性能与尺寸厚度的依赖关系，由此引出本文的研究内容。
　　第二章主要介绍Sb2Te3二维单晶薄片的制备和表征:首先介绍通过范德瓦尔斯外延生长制备Sb2Te3二维薄片的实验装置和流程、通过调节载气和衬底温度对薄片厚度调控（从2nm到10 nm）的尝试、以及对薄片生长机理的分析和讨论;为了得到厚度的统计数据，建立了光学显微照片中薄片的灰度值与其真实厚度（AFM测量）之间的关联，并用以统计（大量）样品的厚度分布。然后介绍对二维薄片TEM、EDS、XPS表征的结果，确认其具有很好的单晶结构以及一致的Sb2Te3化学比;拉曼mapping成像也能间接地辅证这一结果。
　　第三章介绍Sb2Te3二维单晶薄片的转移以及对其相变特性的初步研究:首先介绍把生长在氟金云母衬底上的单晶薄片转移到SiO2衬底上所用的转移方法和流程;随后简述利用紫外光刻技术对转移样品进行微纳电极加工的流程;着重介绍对薄片相变进行电学操纵和测量的尝试——通过施加不同强度和脉宽的电压脉冲，在合适的脉冲作用后可观测到单晶薄片的电阻增大3个数量级（即非晶化），通过0-5 V电压循环扫描可观测到I-V曲线中的阈值电压效应（即再晶化）。但实验也发现，这些二维薄片不能经受多次循环相变，在经历约2次相变循环后就会器件失效（样品熔断），对可能的熔断失效原因和实验改进办法做了讨论。
　　第四章是作者个人对相变材料的研究发展方向及其未来应用趋势的展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 相变材料的信息存储应用

1．2．1 基于全光学操作的相变信息存储

1．2．2 非易失相变随机存储器

1．3 低维和二维相变材料研究现状

1．3．1 薄膜相变材料的研究

1．3．2 一维纳米线相变材料的研究

1．4 本文研究内容及实验结果

参考文献

第二章 Sb2Te3二维薄片的制备与表征

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 Sb2Te3二维薄片制备

2．2．2 Sb2Te3二维薄片生长机制讨论

2．3 Sb2Te3二维薄片的厚度统计分布

2．4 Sb2Te3二维薄片的结构及成分表征

2．4．1 表征仪器

2．4．2 成分表征

2．4．3 TEM结构表征

2．4．4 拉曼表征

2．5 本章小结

参考文献

第三章 Sb2Te3二维薄片的转移及相变表征

3．1 引言

3．2 Sb2Te3二维薄片的转移及电极制备

3．3 Sb2Te3二维薄片的相变表征

3．4 本章小结

参考文献

第四章 展望

4．1 相变存储中新颖设计

4．2 相变应用的未来趋势

参考文献

致谢

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