《Vacuum》：The enhanced thermal stability of single element Sb phase-change materials by rare earth
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Sb-Yb复合薄膜通过磁控溅射制备，其掺入5% Yb显著提升热稳定性（结晶温度120℃）、降低电阻漂移系数至0.01，并优化光学带隙至0.91eV。研究揭示其独特的晶态-非晶态纳米复合结构（Sb纳米晶被Yb-Sb非晶基体包裹），抑制Sb晶粒过度生长，同时维持生长型结晶机制，有效解决纯Sb及传统GST材料的稳定性与漂移问题。
宋中望|顾卫峰|倪欣轩|王国祥
中国浙江省宁波市宁波大学先进技术研究院红外材料与器件实验室，邮编315211
摘要
基于锑的单元素相变存储器（PCM）由于其快速的相变能力和极低的电阻漂移系数，在下一代PCM应用中展现出巨大的潜力。然而，其热稳定性不足，容易在室温下发生自发结晶。本研究详细介绍了利用磁控溅射技术制备Sb-Yb复合薄膜的过程，并对其结晶过程进行了深入分析。这种基于锑的复合薄膜具有较高的结晶温度（120°C）、以生长为主导的结晶模式（n_avg=0.96）、低电阻漂移（0.015）以及增强的光学带隙（0.91 eV）。这些优异性能归因于其独特的晶态-非晶态纳米复合结构：Sb纳米颗粒（10-20 nm）被非晶态的Sb-Yb相包裹。非晶态的Yb-Sb基体细化了颗粒尺寸，抑制了Sb纳米颗粒的过度生长，从而显著提高了结构的热稳定性。这种纳米复合结构不仅显著提升了基于锑的PCM的热稳定性，还保持了生长型结晶机制，有效克服了纯Sb和传统Ge?Sb?Te?（GST）材料的局限性。
引言
随着数据量的激增和计算需求的增加，传统的存储架构面临着严峻挑战[1]。相变存储器（PCM）结合了高速读写、非易失性、高耐久性和3D堆叠特性，克服了传统存储的局限性，成为下一代应用的高密度、低功耗解决方案[2],[3]。然而，传统GST材料的多元组成使得Ge、Sb和Te元素在长期使用和多次相变循环中容易发生局部分布不均（组分偏析），导致电阻漂移系数显著增加，影响设备稳定性[4],[5]。
为了解决GST的这些问题，通过元素掺杂改性来调控材料的微观结构和键合成分是一个有效的解决方案[6]。Ling等人在2006年通过Si和N共掺杂提高了非晶态GST的电激活能和热稳定性[7]；Wei等人在2020年通过Cr诱导的原子间键合调控抑制了结晶，进一步改善了其非晶态稳定性[8]。稀土掺杂也取得了显著进展：Shingai等人使用Tb掺杂同时提升了GST的相变速度和稳定性[9]；Chen等人发现Gd掺杂改变了GST中Ge、Sb和Te的局部原子排列，从而提高了结晶电阻和热稳定性[10]。
与基于GST的合金相比，纯Sb相变材料具有明显的优势，如无组分偏析和极低的电阻漂移[11]。然而，纯Sb基相变材料在实际应用中受到其较差室温热稳定性的限制。最新研究表明，引入稀土元素与Sb原子形成稳定的化学键可以有效抑制自发结晶并提高热稳定性[10]。Gu等人在2017年通过引入Er掺杂形成Er-Sb键，增强了原子间相互作用并抑制了晶格重构，从而优化了相变存储器的性能[12]。因此，考虑到Yb-Sb键的优异热稳定性，我们在Sb中加入Yb掺杂，以提高非晶态Sb薄膜的热稳定性，使其更适合PCM应用[13]。
实验部分
实验方法
采用磁控溅射法制备薄膜。选择SiO?/Si作为薄膜基底，Sb金属靶材安装在直流溅射靶上，Yb金属靶材安装在射频溅射靶上。Sb靶和Yb靶的溅射功率分别固定在20 W。溅射过程持续15分钟，以获得约200 nm的薄膜厚度。腔室压力被抽至一定水平以创造适宜的溅射环境。
结果与讨论
为了评估PCM的热稳定性，我们在Ar气氛下通过原位薄膜电阻测量研究了非晶态到晶态的转变过程，以避免氧化。图1(a)显示了Sb??Yb?相薄膜的电阻随温度的变化情况。纯Sb在室温下的电阻约为102 Ω，这是由于其较差的热稳定性导致自发结晶的结果[11]。相比之下，掺杂Yb后...
结论
通过添加5%的Yb，Sb-Yb相变薄膜（Sb??Yb?）的热稳定性得到了显著提升。其结晶温度从纯Sb的室温自发结晶升高到120°C，电阻漂移系数降至0.01，光学带隙达到0.91 eV，优于传统的GST材料。结晶动力学分析表明其结晶模式以生长为主导（n = 0.96）。微观结构表征进一步证实了这一结果。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
作者贡献声明
宋中望：撰写初稿、验证结果、数据整理、概念构思。倪欣轩：审稿与编辑、监督工作、软件应用、实验设计。顾卫峰：审稿与编辑、方法设计、实验实施、概念构思。王国祥：审稿与编辑、资源协调、项目管理、资金申请、数据整理、概念构思
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号62074089）、宁波市自然科学基金（项目编号2022J072）、宁波市青年科技创新领军人才项目（项目编号2023QL005）以及浙江省高校基本科研业务费（项目编号S JLZ2024004）的支持，同时得到了宁波大学研究生科研创新项目的资助。
