大尺寸GeTe单晶温度诱导相变动力学：XRD与拉曼光谱的多模态解析及其相变机制研究

本文通过变温XRD与拉曼光谱技术，揭示了大尺寸GeTe单晶在600–660 K温度区间内从菱方相（α-GeTe）到立方相（β-GeTe）的结构相变过程，结合第一性原理计算阐明了其电子结构演化规律，为相变存储器件（PCM）和热电材料设计提供了关键理论与实验依据。

　　

Highlight

大尺寸GeTe单晶的成功合成与多维结构表征揭示了其优异的结晶质量。粉末XRD结果与标准卡片PDF#89–2552高度吻合，原子力显微镜（AFM）显示表面粗糙度低于0.5 nm，扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS）证实了均匀的元素分布，X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了化学价态与 stoichiometric GeTe 一致。

Experimental

采用化学计量比的高纯Ge（99.99%）和Te（99.99%）原料，并额外添加2–3%的Te以补偿挥发损失。混合物在真空石英管中加热至熔点（约900℃），随后以1 mm/h的速率缓慢冷却，在30℃/cm的温度梯度下促进单晶生长，最终获得厘米级、高结晶质量的GeTe单晶。

Results and discussion

变温X射线衍射（VT-XRD）显示，从600 K开始，衍射峰发生合并：24.9°（003）与26.0°（101）峰逐渐融合为25.7°处的（111）峰，41.9°（104）与43.3°（110）峰则合并为42.6°处的（220）峰，这一现象明确指示了从菱方相（rhombohedral）到立方相（cubic）的结构转变。拉曼光谱中A_g²和A_g³模式的演化进一步佐证了600–660 K温度区间的相变过程。所有振动模式在交叉偏振配置下均表现出强烈的偏振依赖性，去偏振比（depolarization ratio）可作为定量指标精确反映相变演化与对称性特征。第一性原理计算从电子结构层面为GeTe的优异性能提供了理论支撑。

Conclusion

本研究通过多维度分析揭示了大尺寸GeTe单晶在600–660 K温度区间发生从α-GeTe到β-GeTe的相变过程，结合结构表征与声子模式演化，深化了对GeTe相变动力学的理解，为其在相变存储与热电转换领域的应用提供了重要参考。