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碳环在多晶GeSb2Te4相变材料中的作用

DOI：10.1016/j.jallcom.2018.12.228 期刊：Journal of Alloys and Compounds 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： 碳（C）用于提升锗锑碲（Ge-Sb-Te，GST）相变存储材料的整体性能。然而多晶GST中碳的构型及其微观作用机制尚不明确。本研究以研究较为充分的GeSb2Te4为例，基于第一性原理计算揭示了碳掺杂的微观作用。结果表明：在极低碳浓度下，碳原子倾向于占据间隙位；当碳浓度超过约2%的临界值时，碳原子会在晶界处聚集，仅少量可能存在于间隙位；随着碳浓度进一步增加，碳原子更易在晶界形成环状而非链状构型——这是因为环状构型中的共价键比链状构型更强。通过对孤对电子和电子态密度的深入分析发现，碳掺杂剂会显著改变周围原子的孤对电子数量，从而影响电子结构。最后估算出400K时碳的扩散系数约为10^-13 m^2/s量级，表明碳掺杂剂在GeSb2Te4中具有良好的稳定性。本研究为理解碳掺杂在GST相变材料中的微观作用提供了基础认知，有助于通过控制掺杂浓度来改善存储材料的性能。
作者： Guanjie Wang，Jian Zhou，Stephen R. Elliott，Zhimei Sun
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究碳掺杂在多晶GeSb2Te4相变材料中的微观作用，包括其构型偏好、对电子特性的影响以及稳定性。

研究成果

多晶GeSb2Te4中的碳掺杂剂在低浓度时倾向于占据间隙位点，但当浓度超过约2%的临界值时会在晶界处聚集形成环状构型。这些构型由于具有更强的共价键而比链状构型更稳定。碳掺杂通过减少孤对电子改变了电子结构，从而导致电阻率发生变化。扩散系数较低（400K时约为10^-13 m^2/s），表明其具有良好的稳定性。这为通过可控掺杂优化相变存储材料提供了见解。

研究不足

该研究基于计算模型和模拟，可能无法完全反映实际实验条件或变化。研究聚焦于特定的晶界和浓度，可能限制了其结论对其他GST成分或微观结构的普适性。

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