上海微系统所阐明单质碲纳秒级相变开关机制

来源:中国科学院上海微系统与信息技术研究所 #中国科学院#
6423

三维硅基电子器件发展至今已成功微缩至3纳米,但进一步小型化面临更严峻的挑战。三方相晶态碲(碲),作为典型一维范德华材料,由范德瓦尔斯力相连的螺旋链排列而成,能够剥离出1纳米×1纳米横向尺寸的单个原子链,展现出极大的微缩潜力。2022年上海微系统所宋志棠、朱敏研究团队在Science期刊发表的文章(J. Shen et al., Science, 2021, 374, 1390)首次揭示了单质碲具有开关特性,能够在纳秒级时间内实现晶态-液态的快速转变,且具备高疲劳性和高驱动力等关键性能,成为三维高密度存储器选通单元的有力候选。然而,这种超快相变开关特性的内在机制仍然不明晰,极大程度上制约了高密度存储技术的优化设计与进一步发展。

图1 单质碲器件微观结构及电学开关性能。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、朱敏研究团队,联合清华大学、复旦大学、英国剑桥大学,通过球差透射电镜技术和电学测试手段(图1),直接观测到器件内部的晶态碲螺旋链状结构,并验证了其在8-15纳秒内实现超快电学开关响应的能力。为进一步解释其纳秒级超快开关机制,研究团队结合原位高能同步辐射X射线衍射实验和从头算分子动力学模拟,发现三方晶体碲在加热至450℃时完全熔化为液相,并在温度降低到380℃时重新结晶为三方相,且在相变过程中未出现其他晶相(如菱形相)。这直接证实了碲中基于晶态-液态-晶态相变的电开关过程。进一步的原子尺度熔化-淬火模拟显示(图2),液态碲能够在25皮秒内快速重结晶。这种超快结晶能力可归因于由于淬火过程中peierls畸变的延迟,从而在更宽的温度范围内保持较高的原子迁移率。本工作阐明了碲作为相变开关的内在作用机制,为开发基于晶体-液体-晶体相变的超高速选通技术开辟了道路。

图2 单质碲液态-晶态转变过程以及金属-半导体能带变化。

责编: 爱集微
来源:中国科学院上海微系统与信息技术研究所 #中国科学院#
THE END
关闭
加载

PDF 加载中...