《Acta Materialia》：首次实验测得！非晶态相变材料的原子自扩散

非晶态Ge₂Sb₂Te₅相变材料被视为非易失性存储器的原型材料，因为它具有从非晶态到晶体转变的纳秒级可逆性。在这种情况下，原子自扩散动力学对相变材料的结晶过程和开关行为具有重要影响。因此，了解原子自扩散，尤其是无定形相中的原子自扩散，对于应用以及快速和可逆转换行为的一般理解都非常重要。然而，迄今为止，关于非晶相变材料中原子自扩散动力学的可靠数据几乎不存在。

来自德国明斯特大学的学者采用二次离子质谱法并应用高富集天然¹²²Te 同位素来测量 Te 示踪剂的扩散。首次通过实验测量了非晶态 Ge₂Sb₂Te₅中的 Te 自扩散系数，并确定 Te 自扩散的活化能为 (1.43±0.08) eV。相关文章以“Tellurium self-diffusion in amorphous Ge₂Sb₂Te₅ phase change materials”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119146

图 1.（a）扩散样品示意图；（b）沿 y 轴的¹²²Te 厚度；（c）沿 x 轴的 ¹²²Te 厚度。

图 2. (a)淀积 GST 薄膜；(b)-(f) GST/Si 和 ¹²²Te/GST/Si 经过扩散热处理后的 XRD 图。退火温度和时间分别为 320 K - 420 分钟、333 K - 240 分钟、343 K - 60 分钟、353 K - 7 分钟，与扩散热处理的条件相同。未进行扩散热处理的 ¹²²Te/ GST/Si 样品为 "初始 "扩散样品。

图 4. APT 测量：(a) GST 样品体积的侧视图（红色、蓝色和深黄色点分别代表 Ge、Sb 和 Te 原子）；(b) Ge-Ge、Sb-Sb 和 Te-Te 第一鄰距的分布；(c) 在 (a) 所示体积中测得的单个Ge、Sb 和 Te 原子的浓度分布。

图 5. 通过 ToF-SIMS 获得的 ¹²²Te 成分剖面图 (a) 所有样品的剖面图；(b) 初始样品（左）和在 320 K 退火 420 分钟后（右）的分解剖面图。在（b）中，插图是每个样品相应的 ¹²⁸Te 剖面图。

图 6. 初始扩散样品的元素分布和结构特征。(a) STEM-EDS 图，并叠加了 ToF-SIMS 剖面图；(b-d) 选定区域内扩散样品 ¹²²Te/GST 的 NBDPs；(e) ¹²²Te/GST界面的 HAADF 图像；(f) GST/Si 界面无定形薄膜底部的 APT 体积分析；(g) STEM-EDS 从 (a) 中绿色虚线矩形标记的扩散区检测到的 ¹²²Te/GST 原子分数。¹²²Te 同位素上面沉积了一层铂保护层。

图 7. 在 320 K - 420 min 退火的扩散样品 Te/GST 的元素分布和结构特征。（a）STEM-EDS 地图，叠加ToF-SIMS 曲线（橙色线）和 Te 化学成分（红色线）；（b-d）选定区域内扩散样品 ¹²²Te/GST 的 NBDPs；（e）STEM-EDS 在（a）中标注为"e "的绿色虚线矩形扩散区域内检测到的 ¹²²Te/GST 原子分数。

图 8. 图中显示了本研究中测定的 Te 自扩散到非晶 GST 中的温度依赖性（三角形和蓝线）与非晶 Si（圆圈和红线）和非晶 Ge（正方形和黑线）中的自扩散率的比较。扩散系数是反绝对温度（a）和反 T_g 温度（b）的函数，T_g 是相应材料的玻璃转化温度。

本研究利用高富集¹²²Te 同位素进行 ToF-SIMS 分析，首次测量了无定形 GST 薄膜中 Te 的自扩散。均匀的 GST 层是通过磁控溅射合成的。XRD 和 NBDPs 的结合证明，¹²²Te 沉积或随后的扩散热处理均未诱发结晶。测量了 10- 24 到 10- 20 m²/s 的自扩散系数，发现它们在室温和 353 K 之间呈阿伦尼乌斯型依赖关系，碲自扩散的活化能为 1.43±0.08 eV。与其他非晶体系相比，GST 中 Te 扩散的活化能明显较低，但如果按玻璃转化温度归一化，则与非晶硅或 Ge 中的活化能相似。（文：SSC）