GeTe/Bi2Te3超晶格相变材料的热传导特性研究

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相变存储器(PCRAM)的应用遇到擦写电流过大的瓶颈和毗邻单元热串扰的限制,这些问题可以通过对相变材料的热传导特性进行优化来改善。譬如超晶格相变材料Ge Te/Sb2Te3,其低热导率特性极有利于PC RAM的功耗及热串扰的降低。但有关超晶格相变材料热传导特性的研究才刚刚起步,超晶格的声子输运机制以及如何获得更低热导率的相变材料还有待进一步研究。基于Bi2Te3和Sb2Te3有着相同的结构,但Bi原子的引入能削弱与Te原子的结合力并改变界面匹配、散射等状态,为了进一步优化相变材料的导热特性,本文提出GeTe/Bi2Te3超晶格相变材料,并通过搭建热导率的实验测量平台和进行声子特性的第一性原理计算,证实了Bi基GeTe/Bi2Te3超晶格相变材料具备更低的热导率,为其在相变存储器降低操作电流和抑制临近单元的热串扰方面的应用提供了可靠依据。本文首先针对自行搭建的3ω法薄膜热导率测试平台的测量成功率低、测试稳定性差以及测量结果精确性存疑等问题进行了改进,通过SiO2薄膜和硅衬底热导率的测试充分验证了测试平台的准确性和稳定性。接着采用该测试平台测得Ge Te/Bi2Te3超晶格的热导率均低于GeTe/Sb2Te3超晶格的热导率,并且随其界面数的增加先减小而后增大,可以实现比传统Ge2Sb2Te5相变材料更低的热导率。同时研究了膜厚对于超晶格相变材料的影响,发现GeTe/Bi2Te3超晶格的热导率随着膜厚的减小而降低。通过第一性原理对GeTe/Bi2Te3超晶格的声子特性、热导率进行了计算,计算结果与测试结果吻合,也显示了GeTe/Bi2Te3超晶格相对GeTe/Sb2Te3超晶格热导率下降的趋势,并研究探讨了其变化机理,发现超晶格的Te-Te长距离界面以及Bi原子的引入是实现GeTe/Bi2Te3超晶格相变材料热导率的调控的最主要因素。
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