Ge掺杂调控Sb2Te3微结构与光电性能在相变存储器中的创新应用

本综述系统探讨了Ge掺杂对Sb2Te3薄膜微结构及光电性能的调控机制，通过实验与第一性原理计算揭示了Ge-Te键形成对相变稳定性、反射率对比度和载流子行为的优化作用，为高性能相变存储器（PCM）和光电调制技术提供了关键理论支撑与应用前景。

　　

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Experimental and computational methods

通过共溅射Ge（99.99%）和Sb₂Te₃（99.99%）靶材，沉积了约200 nm厚的Ge掺杂Sb₂Te₃薄膜，并以纯Sb₂Te₃靶材制备对照样品。沉积在氩气气氛（压力5×10^?3 mbar，流量30 SCCM）下进行，腔室基础压力维持在1.33×10^?5 Pa以上。薄膜反射率通过光谱仪测量，结构表征采用X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM），电学性能通过霍尔效应测试分析。第一性原理计算基于密度泛函理论（DFT）模拟Ge原子占位偏好与成键机制。

Optical properties of films

图2(a)展示了Sb₂Te₃与Ge掺杂Sb₂Te₃薄膜在可见-近红外（VIS-NIR）波段沉积态与退火态的反射光谱。随退火温度升高，原子有序度增强导致反射率逐步上升。1.78 eV（730 nm）处的波动源于检测器切换的系统误差，而1-2%的小幅波动可能与薄膜表面形貌相关。Ge掺杂显著增强了近红外波段反射率对比度，尤其Ge₁₄(Sb₂Te₃)₈₆薄膜展现出多级反射调制潜力。非晶态光学带隙（E_g）随Ge含量增加而拓宽，证实Ge掺杂提升非晶相稳定性并实现带隙调控。光学性能变化与结晶度降低和粗糙度减小直接相关。

Conclusion

本研究阐明Ge掺杂通过微结构演化调控Sb₂Te₃薄膜的光电性能：Ge原子优先取代Sb位点形成强Ge-Te键，细化晶粒并促进均匀分布，从而优化反射率（R）、带隙（E_g）、电荷分布及载流子迁移行为。Ge掺杂同时抑制Te相析出并改善晶界电压降，为相变存储器（PCM）和光电应用提供新材料设计策略。