【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】三維硅基電子器件發(fā)展至今已成功微縮至3納米，但進(jìn)一步小型化面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。三方相晶態(tài)碲(碲)，作為典型一維范德華材料，由范德瓦爾斯力相連的螺旋鏈排列而成，能夠剝離出1納米×1納米橫向尺寸的單個(gè)原子鏈，展現(xiàn)出極大的微縮潛力。2022年中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志棠、朱敏研究團(tuán)隊(duì)在Science期刊發(fā)表的文章(J. Shen et al., Science, 2021, 374, 1390)首次揭示了單質(zhì)碲具有開(kāi)關(guān)特性，能夠在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)晶態(tài)-液態(tài)的快速轉(zhuǎn)變，且具備高疲勞性和高驅(qū)動(dòng)力等關(guān)鍵性能，成為三維高密度存儲(chǔ)器選通單元的有力候選。然而，這種超快相變開(kāi)關(guān)特性的內(nèi)在機(jī)制仍然不明晰，極大程度上制約了高密度存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與進(jìn)一步發(fā)展。
 

圖1 單質(zhì)碲器件微觀結(jié)構(gòu)及電學(xué)開(kāi)關(guān)性能。
 

　　中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志棠、朱敏研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)，通過(guò)球差透射電鏡技術(shù)和電學(xué)測(cè)試手段(圖1)，直接觀測(cè)到器件內(nèi)部的晶態(tài)碲螺旋鏈狀結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了其在8-15納秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)超快電學(xué)開(kāi)關(guān)響應(yīng)的能力。為進(jìn)一步解釋其納秒級(jí)超快開(kāi)關(guān)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合原位高能同步輻射X射線衍射實(shí)驗(yàn)和從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)三方晶體碲在加熱至450℃時(shí)完全熔化為液相，并在溫度降低到380℃時(shí)重新結(jié)晶為三方相，且在相變過(guò)程中未出現(xiàn)其他晶相(如菱形相)。這直接證實(shí)了碲中基于晶態(tài)-液態(tài)-晶態(tài)相變的電開(kāi)關(guān)過(guò)程。進(jìn)一步的原子尺度熔化-淬火模擬顯示(圖2)，液態(tài)碲能夠在25皮秒內(nèi)快速重結(jié)晶。這種超快結(jié)晶能力可歸因于由于淬火過(guò)程中peierls畸變的延遲，從而在更寬的溫度范圍內(nèi)保持較高的原子遷移率。本工作闡明了碲作為相變開(kāi)關(guān)的內(nèi)在作用機(jī)制，為開(kāi)發(fā)基于晶體-液體-晶體相變的超高速選通技術(shù)開(kāi)辟了道路。
 

圖2 單質(zhì)碲液態(tài)-晶態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程以及金屬-半導(dǎo)體能帶變化。
 

　　該工作在2024年8月29號(hào)以題為“Nanosecond Phase-Transition Dynamics in Elemental Tellurium”發(fā)表在Advanced Functional Materials (2024, 2408725)期刊上。我所博士生孫玉婷、清華大學(xué)博士后李博文為共同第一作者，上海微系統(tǒng)所朱敏研究員、宋志棠研究員以及清華大學(xué)李黃龍教授為通訊作者，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所為該研究第一完成單位和通信單位。該工作得到國(guó)家優(yōu)秀青年基金(62322411)、中國(guó)科學(xué)院人才計(jì)劃、上?？萍紗⒚餍?21QA1410800)，中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B(XDB44010200)項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金(62204053)等項(xiàng)目的支持。