• <tr id="yyy80"></tr>
  • <sup id="yyy80"></sup>
  • <tfoot id="yyy80"><noscript id="yyy80"></noscript></tfoot>
  • 99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

    CuSb4相變薄膜的晶化行為研究

    2022-09-23 11:41:50胡益豐
    關(guān)鍵詞:晶化非晶等溫

    胡益豐

    (江蘇理工學(xué)院數(shù)理學(xué)院,江蘇 常州 213001)

    近年來,相變存儲技術(shù)因其具有較快的讀寫速度、超長的數(shù)據(jù)保持時(shí)間以及與CMOS工藝的良好兼容性,受到業(yè)界的廣泛關(guān)注,被認(rèn)為是最有潛力取代目前主流的Flash存儲器成為下一代非易失性存儲技術(shù)[1-2]。相變存儲技術(shù)是利用硫系化合物在非晶態(tài)和晶態(tài)存在巨大的結(jié)構(gòu)差異而實(shí)現(xiàn)的,即非晶態(tài)的相變材料具有較大的電阻率,而處于晶態(tài)的相變材料則具有較低的電阻率[3]。這種巨大的電阻差異可以作為數(shù)據(jù)存儲的“0”和“1”邏輯態(tài)。通過對非晶態(tài)相變材料施加一個(gè)較寬的電脈沖,可以實(shí)現(xiàn)從非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變;而通過再次施加一個(gè)高而窄的電脈沖,可以實(shí)現(xiàn)從晶態(tài)到非晶態(tài)的逆相變[4-6]。除了電脈沖,激光產(chǎn)生的焦耳熱也可以實(shí)現(xiàn)相變材料的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

    作為相變存儲器的核心,相變材料的性能至關(guān)重要。當(dāng)前,研究最多的相變合金材料是Ge2Sb2Te5[7]。在加熱過程中,Ge2Sb2Te5會先后呈現(xiàn)非晶相、面心立方相和六角密堆結(jié)構(gòu),從而表現(xiàn)出3個(gè)不同的電阻值,可以作為多級存儲的材料,擁有較高的存儲密度。此外,Ge2Sb2Te5的循環(huán)疲勞性能較為優(yōu)異,經(jīng)歷106次循環(huán)仍能保持較好的電阻識別度[8]。當(dāng)然,研究也顯示Ge2Sb2Te5的相變速度不是很快,當(dāng)電流脈沖寬度小于100 ns時(shí),已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)Ge2Sb2Te5的SET操作。這對于未來大數(shù)據(jù)時(shí)代,每天需要處理海量數(shù)據(jù)的速度要求是不能滿足的,也比當(dāng)前主流的DRAM速度要慢的多(DRAM的擦寫時(shí)間小于10 ns)[9]。因此,進(jìn)一步提升相變存儲器的操作速度是推動其工程化應(yīng)用亟待解決的問題。研究表明,純Sb材料因其生長為主的結(jié)晶機(jī)制而具有超快的結(jié)晶速度;由此帶來不利的一面是,純Sb的非晶熱穩(wěn)定性較差,甚至在沉積過程中就會發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象[10]。因此,含Sb的合金材料成為開發(fā)相變材料的方向。本文通過在Sb材料中摻入Cu元素,獲得了一種Cu-Sb合金相變薄膜;通過熱學(xué)和電學(xué)方法驗(yàn)證了其潛在的相變性能,并采用原子力顯微鏡觀察了其結(jié)晶行為。

    1 實(shí)驗(yàn)方法

    采用射頻磁控濺射方法制備了Cu-Sb薄膜。靶材采用復(fù)合靶,純度超過99.99%。在薄膜制備之前,先測定了其濺射速率,隨后通過控制濺射時(shí)間來調(diào)控薄膜的沉積厚度。濺射腔的真空度氣壓小于10-5Pa,濺射氣壓為0.4 Pa。濺射過程中氬氣的流量為30 SCCM。為了保證薄膜的均勻性,濺射過程中樣品盤保持20 rpm的速率勻速旋轉(zhuǎn)。經(jīng)光電子能譜測定,所制備的Cu-Sb薄膜中Cu與Sb的原子百分比為1∶4,故本文采用CuSb4表示的Cu-Sb薄膜。

    采用原位薄膜電阻測量方法研究了非晶向晶體的轉(zhuǎn)變。樣品溫度由Pt-100熱電偶測量,該熱電偶位于一個(gè)由TP94溫度控制器控制的加熱器上。整個(gè)裝置連接到計(jì)算機(jī),通過實(shí)時(shí)測量程序記錄樣品的電阻和溫度。非晶薄膜的熱穩(wěn)定性通過等溫時(shí)間依賴電阻測量來評估。采用原子力顯微鏡的相位模式和靜電力模式分別觀察了非晶和晶態(tài)薄膜的表面形貌。

    2 結(jié)果和討論

    2.1 CuSb4薄膜的原位非晶--晶態(tài)轉(zhuǎn)變

    圖1給出了CuSb4薄膜的原位電阻-溫度曲線。由圖1可見,在25℃時(shí),CuSb4薄膜的電阻約為2.5×103Ω,表明其處于非晶結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高,薄膜的電阻呈現(xiàn)緩慢下降趨勢,這歸因于其半導(dǎo)體效應(yīng)[11]。將電阻開始快速降低時(shí)的溫度定義為相變溫度Tc[12]。本研究中CuSb4薄膜的Tc約為108℃。較低的晶化溫度Tc有助于減小相變存儲器在SET過程中的操作功耗。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí),薄膜的電阻不再降低,而是穩(wěn)定在221 Ω,這一電阻值在隨后的降溫過程中也繼續(xù)保持。這表明薄膜發(fā)生了非晶到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。研究顯示,CuSb4薄膜的非晶態(tài)電阻是晶態(tài)的10倍,因而能夠確保信息讀取過程中可靠的信噪比[13]。

    圖1 CuSb4薄膜的電阻隨溫度變化曲線

    為了評價(jià)CuSb4薄膜的非晶熱穩(wěn)定性,在CuSb4薄膜的Tc之前選擇了3個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行等溫晶化實(shí)驗(yàn)。圖2給出了CuSb4薄膜在90℃、95℃和100℃等溫溫度下的歸一化電阻變化曲線。由圖2可見,經(jīng)過一定時(shí)間的等溫加熱,CuSb4薄膜逐漸累積了足夠的能量并實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶晶化。在較低的等溫溫度下,CuSb4薄膜需要更多的時(shí)間才能獲得相變所需的能量[14]。一般來說,當(dāng)相變薄膜的電阻下降至原來的50%時(shí)便無法識別而被認(rèn)為是失效,其經(jīng)歷的時(shí)間稱為失效時(shí)間,記為tf[15]。在90℃、95℃和100℃等溫溫度下,CuSb4薄膜的失效時(shí)間分別為1 123、773和314 s。而且,在更高的保溫溫度下,薄膜的電阻下降的速度更快。這是由于薄膜內(nèi)部在更高溫度下吸收熱量更快,更易越過晶化勢壘[16]。結(jié)合等溫溫度和失效時(shí)間可以計(jì)算相變薄膜的晶化激活能和數(shù)據(jù)保持力。

    2.2 CuSb4薄膜的數(shù)據(jù)保持力

    根據(jù)圖2獲得的失效時(shí)間,對tf-1/KT曲線進(jìn)行了線性擬合(見圖3),并將時(shí)間外延至10年,由此推算相變薄膜在10年的數(shù)據(jù)保持溫度值。本文所研究的CuSb4薄膜具有一個(gè)較低的數(shù)據(jù)保持溫度(14.35℃),表明其不適合作為需要長期保持?jǐn)?shù)據(jù)的信息存儲器材料。根據(jù)Arrhenius[17]方程:

    圖2 CuSb4薄膜歸一化電阻隨退火時(shí)間曲線

    圖3 CuSb4薄膜的tf~(kBT)-1曲線

    其中,t是失效時(shí)間,τ是時(shí)間比例常數(shù),Ea是結(jié)晶激活能,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為溫度。由此獲得CuSb4薄膜的結(jié)晶激活能Ea為0.645 1 eV。這是一個(gè)比較小的激活能值,小于Ge2Sb2Te5的2.28 eV;表明CuSb4薄膜在相變過程中遇到的結(jié)晶障礙更小,這有助于提升相變速度。

    2.3 CuSb4薄膜的結(jié)晶機(jī)制

    為了研究晶化機(jī)制,采用Johnson-Mehl-Avrami(JMA)理論對CuSb4薄膜進(jìn)行了研究。在JMA方程中,晶化比例χ可以表示成時(shí)間t的函數(shù)[18]:

    其中,n是Avrami指數(shù),K是反應(yīng)速率常數(shù)。K可以表示成:

    其中,K0是專用的前置指數(shù)項(xiàng),T是絕對溫度,R是普適氣體常數(shù)。如果獲得了動力學(xué)指數(shù),就能很好地理解結(jié)晶過程。相變薄膜的晶化比例可以通過其電阻的改變來計(jì)算,具體的晶化比例函數(shù)如下[19-20]:

    式中,R(t)和R0分別為t=t和0時(shí)的電阻,Rmax和Rmin分別為等溫相變過程中電阻的最大值和最小值。根據(jù)方程(4),圖4給出了CuSb4薄膜在90℃、95℃和100℃時(shí)晶化比例χ()t隨結(jié)晶時(shí)間的曲線??梢钥吹?,結(jié)晶曲線呈現(xiàn)典型的S型生長曲線,包括最初的孕育期、形核期、生長期和晶粒粗大期4個(gè)階段。其中,孕育期和形核期所用的時(shí)間較長,而生長期時(shí)間較短。

    圖4 CuSb4薄膜不同溫度下結(jié)晶“比例-時(shí)間”曲線

    圖5顯示的是Ln[-ln(1-χ)]-ln(t)曲線。其中,符合JMA結(jié)晶規(guī)律的部分是生長期,即χ(t)在0.25~0.75部分。通過對生長期的曲線進(jìn)行線性擬合,得到CuSb4薄膜在90℃、95℃和100℃退火條件下的Avrami指數(shù)n,分別為1.729 8、1.306 0和1.564 8。從Avrami指數(shù)的值可以確定CuSb4薄膜的結(jié)晶機(jī)制是一個(gè)二維生長過程。該結(jié)晶方式下,材料不需要進(jìn)行漫長的孕育和形核期,而是以生長方式為主,因此該相變材料往往具有較快的相變速度。

    圖5 CuSb4薄膜Ln[-ln(1-χ)]-Ln(t)曲線

    相變過程中,伴隨著晶粒的生長,薄膜的表面會變得更加粗糙。本文中,采用原子力顯微鏡的輕敲模式對沉積態(tài)和130℃退火10 min后的CuSb4薄膜進(jìn)行了掃描,掃描區(qū)域?yàn)? μm×3 μm。圖6(a)顯示,沉積態(tài)的CuSb4薄膜表面沒有看到明顯的晶粒,薄膜表面較為平整,其方均根粗糙度為0.654 1 nm。圖6(c)顯示,沉積態(tài)的CuSb4薄膜表面絕大部分凸起,凸起高度為2.5 nm左右,超過4 nm的凸起部分較少。在130℃退火10 min后,CuSb4薄膜表面出現(xiàn)了大量結(jié)晶形成的晶粒,見圖6(b),其表面方均根粗糙度增加到了1.009 2 nm,表明CuSb4薄膜發(fā)生了非晶到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。圖6(d)顯示,CuSb4薄膜表面絕大部分凸起的高度為3.3 nm左右,明顯大于圖6(c)。在退火后的CuSb4薄膜表面出現(xiàn)了大量超過4 nm高度的凸起,表明結(jié)晶后的相變薄膜表面變得更加粗糙不平。這將影響相變層與上下電極的有效接觸,從而影響器件的可靠性。

    圖6 CuSb4薄膜表面顯微圖及高度分布柱狀圖

    2.4 CuSb4薄膜的表面形貌

    作為原子力顯微鏡輕敲模式的一項(xiàng)重要擴(kuò)展技術(shù),相位移模式是通過檢測驅(qū)動微懸臂探針振動信號源的相位角與微懸臂探針實(shí)際振動的相位角之差(即兩者的相移)的變化來成像。Dirisaglik[21]和Salinga[22]認(rèn)為,相位差可表示成:

    圖7 CuSb4薄膜相位圖

    如果給薄膜表面注入一定的電荷,表面各點(diǎn)的電勢分布將嚴(yán)重依賴薄膜的表面形貌特征。薄膜表面的Gauss曲率[23]可以表示為,而旋轉(zhuǎn)橢球面的面電荷密度為對于給定的橢球面Q,a、b為常數(shù),由此可以得到而表面附近的電勢U正比于面電荷密度σ,因此,可以通過薄膜表面的靜電勢來精確觀察薄膜的表面形貌和導(dǎo)電性。

    圖8(a)和8(b)分別給出了沉積態(tài)和130℃退火10 min后的CuSb4薄膜表面靜電勢。為了定量化觀察表面電勢分布,分別對圖8(a)和8(b)進(jìn)行了線掃描,結(jié)果見圖8(c)和8(d)。圖8(c)顯示,薄膜表面的電勢分布比較均勻,且電勢值整體較小,超過±0.5 V的點(diǎn)較少;而圖8(d)中電勢值明顯增大,超過±0.5 V的點(diǎn)顯著增多。這說明結(jié)晶后薄膜表面出現(xiàn)了大量凸起的晶粒,使得表面平整度明顯下降。這與圖6、圖7的結(jié)論是一致的。

    圖8 CuSb4薄膜表面靜電勢圖及靜電勢線分布圖

    3 結(jié)論

    通過對CuSb4相變行為的研究得知:CuSb4薄膜的相變溫度為108℃,能夠在14.35℃下將數(shù)據(jù)保持10年,這顯示其非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性較弱,不宜作為需要長期保存數(shù)據(jù)的存儲器材料使用;CuSb4薄膜的結(jié)晶屬于二維生長為主的結(jié)晶模式,表明其具有超快的相變速度;原子力顯微鏡測試顯示,相變之后薄膜表面的形貌發(fā)生了明顯改變,粗糙度顯著增加,相移明顯增強(qiáng),表面靜電勢變大,這些都表明薄膜發(fā)生了結(jié)晶現(xiàn)象。上述研究結(jié)果表明,CuSb4薄膜具有較快的相變速度和較弱的非晶態(tài)熱穩(wěn)定性,薄膜表面較為平整,具備作為緩存存儲器材料的潛力。

    猜你喜歡
    晶化非晶等溫
    不同環(huán)境下粉煤灰合成A型分子篩的研究
    遼寧化工(2022年8期)2022-08-27 06:02:54
    玻璃冷卻速率和鋰鋁硅微晶玻璃晶化行為、結(jié)構(gòu)相關(guān)性
    EPDM/PP基TPV非等溫結(jié)晶行為的研究
    晶核劑對燒結(jié)法制備Li2O-A12O3-SiO2系微晶玻璃晶化過程的影響
    非晶Ni-P合金鍍層的制備及應(yīng)力腐蝕研究
    非晶硼磷玻璃包覆Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2正極材料的研究
    快速檢測豬鏈球菌的環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增方法
    納米CaCO3對FEP非等溫結(jié)晶動力學(xué)的影響
    中國塑料(2015年3期)2015-11-27 03:41:54
    塊體非晶合金及其應(yīng)用
    酰胺類β成核劑對PP-R非等溫結(jié)晶動力學(xué)影響
    中國塑料(2014年2期)2014-10-17 02:50:59
    大理市| 文昌市| 甘肃省| 台山市| 新郑市| 周宁县| 永泰县| 乌什县| 留坝县| 观塘区| 恭城| 商洛市| 辽中县| 十堰市| 色达县| 宝丰县| 漳平市| 宣汉县| 揭阳市| 淄博市| 砀山县| 浮山县| 安徽省| 平乐县| 广饶县| 娄烦县| 海淀区| 宣武区| 安阳市| 泰安市| 楚雄市| 突泉县| 旅游| 顺平县| 惠州市| 洪江市| 沾化县| 北流市| 叶城县| 砚山县| 正镶白旗|