新型相變存儲材料Si-,x-Sb-,100-x-相變規(guī)律的透射電子顯微分析研究.pdf

1、本論文利用先進(jìn)的透射電子顯微技術(shù)(包括選區(qū)電子衍射、明暗場形貌像、高分辨像、高角環(huán)形暗場像及模擬技術(shù))，對新型二元相變存儲材料SixSb100-x(x=5，10，16，23)薄膜從非晶態(tài)到晶體態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行系統(tǒng)的研究。所得結(jié)論如下； 1.利用透射電子顯微鏡中200kV能量的電子束可以誘發(fā)SixSb100-x(x=5，10，16，23)相變薄膜材料由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蕉嗑B(tài)。相同組分的相變材料發(fā)生相變所需的時間與電子束計(jì)量成反比。電子

2、束密度越大，相變所需的時間越短。當(dāng)采用相同的電子束計(jì)量時，相變材料Si-Sb由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的晶化速率隨著硅含量的增加而降低，主要是由于Si起到抑制Si-Sb材料晶化的作用。Si含量高抑制作用強(qiáng)，由非晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的晶化速率就慢，Si含量低抑制作用弱，則晶化速率就快。相變材料Si-Sb晶化后的多晶態(tài)表現(xiàn)為Sb的三方結(jié)構(gòu)，但與純Sb略有差別，主要是由于Si原子摻到Sb晶格中導(dǎo)致的畸變。當(dāng)Si原子的百分比含量低于20％時，在一定計(jì)量的電子束

3、輻照下，SiSb非晶薄膜可完全晶化，Si原子被認(rèn)為完全摻入到Sb晶格中。當(dāng)Si原子百分比含量高于20％時，在電子束輻照下，Si-Sb薄膜的晶化過程伴隨著元素的偏析和相的分離，表現(xiàn)為Si含量小于20％的晶化區(qū)以及Si含量高于20％的非晶區(qū)，說明最多只有20％左右的Si可以摻到Sb的晶格中，超過20％則會完全打亂Sb原子的排布使其不能晶化。電子束誘發(fā)Si-Sb薄膜材料發(fā)生相變的主導(dǎo)作用被認(rèn)為是離子化效應(yīng)。通過計(jì)算電子束可能帶來的樣品表面溫度

4、升高(<5K)、Si和Sb原子接受電子束傳遞的最大能量以及Si和Sb的開啟位移閾能，排除了熱效應(yīng)和knock-on效應(yīng)在相變過程中的主導(dǎo)作用。認(rèn)為在材料的相變過程中起主導(dǎo)作用的是離子化效應(yīng)。入射電子與目標(biāo)原子的非彈性碰撞將能量傳遞給目標(biāo)原子從而導(dǎo)致局部原子電離，這些局部電離的原子將破壞局部原子的化學(xué)鍵從而形成新的結(jié)構(gòu)，這樣就能有效的降低能量勢壘并產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而產(chǎn)生成核和生長的晶化過程。 2.利用透射電子顯微鏡中的原位加熱裝置，給

5、出了熱可以誘發(fā)SixSb100-x(x=10，16，23)相變薄膜材料由非晶態(tài)向三方多晶態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的晶化過程，并測得相變薄膜材料Si10Sb90、Si16Sb84和Si23Sb77的轉(zhuǎn)變溫度分別為140℃、200℃和270℃。隨著Si含量的增加，Si-Sb合金由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的相變溫度逐漸升高并且晶化后的晶粒尺寸也在逐漸減小。由此可見，Si可以起到抑制Si-Sb合金晶化的作用。相變存儲材料Si-Sb薄膜加熱后的多晶態(tài)表現(xiàn)為Sb的三方結(jié)

6、構(gòu)，但與純Sb略有差別，主要是由于Si原子摻入到Sb晶格中導(dǎo)致的差別。熱誘發(fā)Si-Sb材料發(fā)生非晶到多晶的相變后，與電子束誘發(fā)相變的結(jié)果相同，當(dāng)Si的含量大于20％時，會有一部分的Si不能摻入到Sb晶格中，這些多余的Si以非晶態(tài)形式存在于晶粒的周圍。Si50Sb50薄膜材料在350℃下時效100小時的TEM研究證實(shí)Si含量高的SiSb合金的確會發(fā)生元素的分離，多余的Si會以非晶態(tài)形式從樣品中分離出來存在于晶體周圍。晶化后的晶體結(jié)構(gòu)為Sb