Phys. Rev. Lett.: 相变信息存储材料中局部关联结构的超快光致转变

2022-10-17 03:10

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晶体对称性对凝聚态体系的物性，如光学特征和电子态结构，起到至关重要的作用。在很多具有奇异物理特性的材料中，晶体往往具有复杂的微观结构，尤其是呈现有别于宏观对称性的局部关联结构。这些局部关联结构对晶体物性的影响一直没有得到足够的重视，导致从不同角度构建的物理模型往往存在较大争议。

近日，来自德国马普学会弗里茨哈伯研究所、吉林大学、上海交通大学的科学家联合开展实验和理论探索，对经典相变信息存储材料Ge₂Sb₂Te₅ (GST-225)在光激励下的晶格动力学和局部关联结构瞬态动力学开展研究工作，成果发表在近期以“Photoinduced Ultrafast Transition of the Local Correlated Structure in Chalcogenide Phase-Change Materials”为题发表在Phys. Rev. Lett.上

GST-225立方相晶体具有宏观的岩盐结构对称性，但是临近晶胞内原子排列具有随机取向的皮尔斯畸变，即局部关联结构（如图1所示）。利用超快电子衍射技术和结构因子计算，研究人员确定了在0.3皮秒的超快时间尺度内该局部皮尔斯畸变被显著抑制，向着高对称方向转变，并伴随着空位附近显著增强的原子振动（如图2和3所示）；实验结果同时确定该超快结构转变对大于带隙的光子能量的超快光激发具有一致的动力学响应特征；研究人员同时对该过程开展了高精度的时间分辨第一性原理分子动力学模拟从原子尺度给出直观图像，理论计算显示出光激发下与实验同等时间尺度内局部关联结构发生超快转变，即局域结构的线性长短键向等长度键快速切换，从而直接辨认出皮尔斯畸变的超快抑制过程，这和实验结果吻合（如图4所示）。

图1.图a是立方GST-225的晶体结构和随机取向的皮尔斯畸变的示意图。图b是该材料的多晶衍射图像和径向强度变化；图c和d是2300 nm和500 nm波长飞秒激光激发下衍射峰强度的时间演化。

图2.图a和b是分别在295 K和112 K时飞秒激光激发下GST-225的(111)峰的时间演化和一维径向衍射谱的变化。图c是随机取向皮尔斯畸变的二维示意图以及飞秒光激发前后对应的局部关联结构势能面的变化示意图。图d是2300 nm和500 nm波长的飞秒激光在不同激发功率作用下(111)衍射峰强度变化的时间常数。

该研究明确了超快非平衡动力学能够探测晶体内部的局部关联结构特征及演化规律，特别是超快电子衍射技术是研究该课题的有力工具。本研究对于揭示其它新兴电子材料如钙钛矿、热电材料等的局部关联结构演化行为具有重要借鉴意义。事实上，先前有研究报道在超快光激发下GST-225的介电常数会在约100飞秒的时间尺度发生显著变化，并把该变化归因于激发态的纯电子效应，而完全忽略晶格响应的作用。本研究确定的局部关联结构超快转变预示着晶体结构动力学对该介电响应将有着重要潜在贡献。因此，相比于电子、自旋等自由度，晶格自由度在搭建超快非平衡态动力学模型中具有不可忽视的地位，应得到充分校验。这一概念在研究者的另一个基于XTe₂体系的光致全局和局部结构转变工作中得到进一步验证[ACS Nano, Traversing Double-Well Potential Energy Surfaces: Photoinduced Concurrent Intralayer and Interlayer Structural Transitions in XTe₂ (X = Mo, W)]。

图3.图a是分别考虑Ge原子和Ge/Sb/Te原子沿[111]方向移动计算结构因子得到的衍射强度变化。图b是实验得到的不同激发功率下，衍射峰的衍射强度变化。图c是考虑Te原子的热振动和Ge/Sb/Te原子沿[111]方向移动计算结构因子得到的衍射强度变化。

图4.图a是飞秒光激发前后Te-Ge/Sb-Te线性（长短键）键长分布的变化规律。图b和c分别是1%和6%电子激发密度下长短键的键长比率随时间演化规律。

目前相变存储材料Ge₂Sb₂Te₅被应用于光盘存储技术和新一代非易失性相变存储技术中。提高存储（相变）速度、降低数据写入（相变）功耗是相变存储领域的重要课题，然而该材料在原子尺度的相变动力学机制仍存在许多分歧。本研究揭示的光致超快局部关联结构转变能够更准确描述飞秒光激发下该材料的瞬态动力学响应规律。同时，该研究预示通过进一步控制局部皮尔斯畸变的幅度和空位密度是实现非热相变、降低相变能耗、加速相变过程的潜在调控策略。

本论文的第一作者为弗里茨哈伯研究所齐迎朋博士，目前任职于上海交通大学超快科学中心，齐博士主要从事超快电子衍射技术的研发和基于该技术的超快凝聚态物质结构动力学研究，曾在基于超快电子衍射技术的超短电子脉冲控制和超快光致结构转变等课题取得多项创新成果。论文的分子动力学理论计算和原子尺度分析由吉林大学李贤斌教授和陈念科副教授完成，李贤斌教授带领的吉林大学研究组(www.ioe-jlu.cn/csp)致力于非易失性相变信息存储半导体的工作机理探索与新材料开发，曾为相变存储技术的工业开发提供材料设计方案。弗里茨哈伯研究所Ralph Ernstorfer教授等也对研究工作做出重要贡献。