Экспоненциальный спад ISF и время a-релаксации ta для жидкого Ge1Sb2Te4 выше Tm. (A) Распад ISF S (q, t) жидкого Ge1Sb2Te4 при первом максимуме структурного фактора q0 = 2,0 Å − 1, измеренном при температурах выше Tm = 903 K. Данные, типичные для систем с высокой текучестью, являются наилучшими снабжены простыми экспоненциальными функциями (сплошные линии), каждая из которых дает одно время релаксации ta (подробности см. в основном тексте). Обратите внимание, что за очень короткое время (<0,65 пс) точки данных соответствуют фононам и быстрым процессам, которые явно не учитываются при подгонке. Это согласуется с анализом динамического структурного фактора S (q, w) в области переноса энергии (ħw) (см. Рис. S1), где S (q, w) лучше всего описывается одной лоренцевой формой. (B) График Аррениуса для времени a-релаксации ta выше Tm. Автор: Science Advances

Команда ученых из Школы молекулярных наук Государственного университета Аризоны и Германии опубликовала сегодня в журнале Science Advances онлайн объяснение того, как конкретный материал с фазовой памятью (PCM) может работать в тысячу раз быстрее, чем текущая флэш-память компьютера, и при этом значительно более длительный по отношению к количеству ежедневных операций чтения-записи.

РСМ является формой памяти компьютера с произвольным доступом (RAM) , которые хранят данные, изменяя состояние материи из «бит», ( в миллионах , которые составляют устройство) между жидким, стеклами и хрусталем состояниями . Технология PCM имеет потенциал для создания недорогого, высокоскоростного, высокоплотного, энергонезависимого хранилища большого объема в беспрецедентных масштабах.

Базовая идея и материал были изобретены Стэнфордом Овшинским очень давно, в 1975 году, но применение задержалось из-за отсутствия ясности о том, как материал может выполнять фазовые переходы на таких коротких временных масштабах, и технических проблем, связанных с контролем изменений с необходимой точностью. , Сейчас такие высокотехнологичные компании, как Samsung, IBM и Intel, стремятся усовершенствовать его.

Полуметаллический материал, который изучается в настоящее время, представляет собой сплав германия, сурьмы и теллура в соотношении 1: 2: 4. В этой работе команда исследует микроскопическую динамику в жидком состоянии этого ПКМ, используя квазиупругое рассеяние нейтронов (QENS), чтобы понять, что может сделать фазовые изменения такими резкими и воспроизводимыми.

По команде структура каждого микроскопического бита этого материала PCM может быть изменена от стекла к кристаллу или от кристалла обратно к стеклу (через жидкое промежуточное соединение) в масштабе времени тысячной миллионной доли секунды, только контролируемый тепловой или световой импульс, предпочтение отдается первому. В аморфной или неупорядоченной фазе материал имеет высокое электрическое сопротивление, состояние «выключено»; в кристаллической или упорядоченной фазе его сопротивление уменьшается в 1000 раз или более, чтобы получить состояние «включено».

Эти элементы расположены в двухмерных слоях между активирующими электродами, которые могут быть уложены друг на друга, чтобы получить трехмерный массив с особенно высокой плотностью активного сайта, позволяющий устройству PCM функционировать во много раз быстрее, чем обычная флэш-память, при этом используя меньше энергии.

«Аморфные фазы этого вида материала можно рассматривать как« полуметаллические очки », — объясняет Шуай Вэй, который в то время проводил исследования в докторантуре профессора СМС-регентов Остина Энджелла в качестве получателя стипендии Фонда Гумбольдта.

«Вопреки стратегии в области исследований« металлических стекол », где люди десятилетиями прилагали усилия для замедления кристаллизации, чтобы получить объемное стекло, мы хотим, чтобы эти полуметаллические стекла кристаллизовались как можно быстрее в жидкость, но чтобы оставаться как можно более стабильным, когда в состоянии стекла. Я думаю, что теперь у нас есть многообещающее новое понимание того, как это достигается в исследуемых ПКМ ".

Отклонение от ожидаемого

Более века назад Эйнштейн написал в своей диссертации тезис о том, что диффузия частиц, испытывающих броуновское движение, могла бы быть понята, если бы сила трения, замедляющая движение частицы, была получена Стоксом для круглого шара, падающего через банку с медом. Простое уравнение: D (коэффициент диффузии) = kBT / 6 ?? где T — температура,? является вязкостью, а r является радиусом частицы, подразумевает, что произведение D? / T должно быть постоянным при изменении T, и удивительно то, что это, по-видимому, верно не только для броуновского движения, но также и для простых молекулярных жидкостей, молекулярные Известно, что движение — это не что иное, как движение мяча сквозь мед!

«У нас нет никакого хорошего объяснения того, почему это работает так хорошо, даже в очень вязком переохлажденном состоянии молекулярных жидкостей, пока не достигнет температуры стеклования , но мы знаем, что есть несколько интересных жидкостей, в которых он плохо выходит из строя даже выше точки плавления ", замечает Энджелл.

«Один из них — жидкий теллур, ключевой элемент материалов PCM. Другой — вода, которая славится своими аномалиями, а третий — германий, второй из трех элементов PCM типа GST. Теперь мы добавляем в-четвертых, сама жидкость GST … !!! благодаря исследованиям рассеяния нейтронов, предложенным и выполненным Шуай Вей и его немецкими коллегами, Заком Эвенсоном (Технический университет Мюнхена, Германия) и Морицем Штольпе (Университет Саар, Германия) на подготовленных образцах Шуай с помощью Пьера Лукаса (Университет Аризоны). "

Еще одна общая черта для этой небольшой группы жидкостей — наличие максимальной плотности жидкости, которая известна в случае воды. Максимум плотности, за которым следует, во время охлаждения, переход от металла к полупроводнику, также наблюдается в стабильном жидком состоянии теллурида мышьяка (As2Te3), который является двоюродным братом для компонента теллурида сурьмы (Sb2Te3) в PCM, все из которых лежат на линии «Овшинского», соединяющей теллурид сурьмы (Sb2Te3) с теллуридом германия (GeTe) на трехкомпонентной фазовой диаграмме. Может ли быть так, что основная физика этих жидкостей имеет общую основу?

Вей и соавторы предполагают, что при смешивании германия, сурьмы и теллура в соотношении 1: 2: 4 (или других по «магической» линии Овшинского) и максимумы плотности, и связанный металл с неметаллом переходы проталкиваются ниже точки плавления, и, соответственно, переход становится намного острее, чем в других смесях халькогенидов.

Тогда, как и в широко изученном случае переохлажденной воды, флуктуации, связанные с экстремумами функции отклика, должны привести к чрезвычайно быстрой кинетике кристаллизации. Во всех случаях высокотемпературное состояние (теперь металлическое состояние) является более плотным.

«Это могло бы многое объяснить», — с энтузиазмом говорит Энджелл. «При переходе жидкость очень жидкая, и кристаллизация происходит очень быстро, а при переходе жидкость быстро застывает и сохраняет аморфное состояние с низкой проводимостью вплоть до комнатной температуры. «биты», то он остается неопределенно стабильным до тех пор, пока компьютерным программируемым тепловым импульсом не будет дано указание мгновенно повышаться до температуры, при которой на нано-секундной шкале времени он мгновенно кристаллизуется в проводящее состояние, во включенное состояние.

Линдсей Грир из Кембриджского университета привел тот же аргумент в терминах «жидкого перехода от хрупкого к сильному».

Второй немного больший тепловой импульс может мгновенно поднимать «кусочек» выше его температуры плавления, а затем, без дополнительного подвода тепла и тесного контакта с холодной подложкой, он гасит со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации, и попадает в полупроводник. состояние "выключено".

«Высокое разрешение нейтронного времени летного спектрометра из Технического университета Мюнхена было необходимо, чтобы увидеть детали атомных движений. Нейтронное рассеяние в Центре Хайнца Майера-Лейбница в Гархинге является идеальным методом, чтобы сделать эти движения видимыми, "утверждает Зак Эвенсон.

По материалам phys.org