近日，华中科技大学光学与电子信息学院ISMD研究所在新型相变存储材料的设计研发上取得重要进展，成果在电子材料领域知名期刊《Journal of Materials Chemistry C》以封面形式发表。论文是由博士生徐萌在徐明教授与缪向水教授指导下完成。复旦大学的王松有教授、美国爱荷华州立大学的王才壮和何启明教授也对论文进行了指导。

相变存储器是一种新型的非易失性存储器，主要是利用了相变材料在晶态和非晶态之间的显著电阻差异来实现“0”和“1”的逻辑态。多级相变存储技术是推动相变存储器商业化的关键技术之一，通过引入新的逻辑态来实现存储容量的大幅提升。实验证明，K2Sb8Se13 (KSS) 正是一种非常适用于多级相变存储器件的材料。KSS具有两个稳定的非晶态，可以实现从非晶态1到非晶态2再到晶态的可逆相变，同时每个态之间的电阻差异大于2个数量级，可以直接实现“0”, “1”, “2”的逻辑态（图1）。对于KSS的机理研究可以加深对于多级相变存储材料的认识，助力材料设计与开发，推动相变存储领域的发展。

图1. a) KSS的相变存储器件结构；b-d) KSS的晶态，非晶态1和非晶态2的原子结构。

通过第一性原理计算软件VASP对KSS的两个非晶态的结构和电子性质做了深入的研究。在从非晶态1到非晶态2的转变过程中，虽然键长和键角没有明显变化，但是KSS的配位数增加，局部结构更趋于有序化（图2），于此同时空隙浓度也减小了约5%。整体而言非晶态2的结构更加接近晶态，这种结构也导致了能带和态密度的变化，带隙减小了约0.3eV。因此非晶态2中载流子浓度更高，电阻也比非晶态1更低。对于KSS的理论计算揭示了的两个非晶态结构之间的变化以及结构和性质之间的关系，为后续的新型多级相变存储材料设计提供了参考意义。

图2. KSS两个非晶态中不同元素的原子团簇结构

论文详细信息和链接：

M. Xu, C. Qiao, K.-H. Xue, H. Tong, X. Cheng, S. Wang, C.-Z. Wang, K.-M. Ho, M.Xu, X. Miao. “Polyamorphismin K2Sb8Se13 for multi-level phase-changememory”, Journal of Materials Chemistry C, 8 (2020) 6364.

https://doi.org/10.1039/D0TC01089H