纳米级钛掺杂锗碲薄膜作为信息存储介质的柔性应用：优异热稳定性、低电阻漂移与卓越弯曲特性

本文推荐一种新型柔性钛掺杂锗碲（Ti-Ge-Te）相变材料，通过磁控共溅射法制备，系统研究了钛掺杂与机械弯曲对GeTe薄膜热稳定性、电阻特性及微观结构的影响。该材料在106次弯曲后仍保持稳定的结晶温度（Tc 250–265°C）和低电阻漂移系数（|ν| 10?2–10?3），其相变存储器（PCM）在5 ns脉冲下实现可逆SET/RESET操作，密度泛函理论（DFT）计算揭示钛掺杂将GeTe间接带隙转为直接带隙，为柔性电子器件提供高性能存储解决方案。

　　

1 引言

随着可穿戴电子与物联网（IoT）技术的兴起，柔性相变存储器（PCM）成为下一代非易失性存储的重要候选。传统硅基存储器受限于柔性和热导率，而锗碲（GeTe）基材料凭借高结晶温度（T_c）和快速切换速度脱颖而出。然而，GeTe的大晶粒尺寸（25 nm）易导致应力集中和循环寿命缩短。本研究通过掺入1.3%钛（Ti）形成Ti-Ge-Te（TiGT）薄膜，结合聚酰亚胺（PI）柔性基底，实现了兼具高热稳定性和机械耐久性的存储介质。

2 结果与讨论

热稳定性与电阻特性

TiGT薄膜的T_c较纯GeTe（200–210°C）显著提升至250–265°C，且10⁶次弯曲后仍保持稳定。电阻漂移系数|ν|从GT的0.09369降至TiGT的0.05193，归因于钛抑制非晶相结构弛豫。X射线衍射（XRD）显示TiGT仅保留GeTe（202）晶面峰，晶粒尺寸缩小至21.42–21.80 nm，证实钛对结晶过程的阻碍作用。

微观结构与表面形貌

透射电镜（TEM）显示TiGT晶粒分布均匀，尺寸较GT减小约15%，且选区电子衍射（SAED）环连续性增强。原子力显微镜（AFM）测得TiGT表面粗糙度（RMS）从GT的7.253 nm降至4.326 nm，弯曲10⁶次后未出现裂纹。X射线光电子能谱（XPS）揭示钛与碲（Te）形成强共价键，Ge 2p和Te 3d结合能分别负移1.81 eV和2.09 eV。

器件性能与理论计算

基于TiGT的PCM器件在100 ns脉冲下实现高低电阻比>10²，阈值电压（V_th）仅1.06 V。密度泛函理论（DFT）计算表明，钛掺杂使GeTe带隙从0.625 eV降至0.352 eV，并转化为直接带隙半导体。电荷密度差（CDD）显示钛与碲原子间电子云密集聚集，形成能（E^f）分析证实钛优先取代Ge位点。

3 结论

TiGT薄膜通过钛掺杂实现晶粒细化、热稳定性提升（T_c↑）和电阻漂移抑制（|ν|↓），其PCM器件在5 ns超快操作和10⁶次弯曲后仍保持性能，为柔性电子和神经形态计算提供理想材料。

4 实验方法

薄膜通过磁控溅射制备，厚度200 nm；PCM器件采用Al电极，相变层直径10 μm。热学测试采用升温速率60°C/min，电学测试使用半导体分析仪。微观表征涵盖XRD、TEM及AFM，理论计算基于CASTEP软件，采用PBE泛函和vdW修正。