Phy. Rev. Lett.：非晶态Ge-Sb-Te相变材料的局域原子结构形变

【引言】

相变记录材料现已广泛应用于商业光盘中，通过十几纳秒超快晶体-非晶结构相变驱动的，而非晶相和晶相的折射率存在差异，以实现记录和擦除功能。此前，大量的实验和模拟研究致力于阐明和光学衬比相关的晶体-非晶相之间的快速结构相变，但其中机制仍不清楚。

【成果简介】

近日，日本东北大学的A. Hirata（通讯作者）在Physical Review Letters上发表最新研究成果“Distortion of Local Atomic Structures in Amorphous Ge-Sb-Te Phase Change Materials”。该工作报道了借助埃束电子衍射分析结合“局域”反蒙特卡洛模拟，直接观察了非晶Ge₂Sb₂Te₅的局域原子结构。结果证实类岩盐型晶体拓扑局域结构的存在，和晶体对称性比较发生了极大的扭曲变形。这一变形导致理想八面体原子环境的破缺，因而形成局域无序结构，基本满足整体的非晶结构因数。类晶相的变形八面体结构可能是Ge-Sb-Te非晶结构形成的主要结构单元。

【图文导读】

图1：非晶Ge₂Sb₂Te₅薄膜的埃束电子衍射（ABED）图像。

(a) Ge₂Sb₂Te₅的岩盐型结构示意图；

(b)-(d)四重岩盐[001]型、二重岩盐[011]型和六重岩盐[111]型非晶Ge₂Sb₂Te₅的典型埃束电子衍射（ABED）图像；

(e)沿圆周方向的四重和六重花样的强度分布；

(f)一般电子衍射得到的总强度和仅含岩盐型ABED花样的累计强度。

图2：ABED实验的局域反蒙特卡洛（RMC）模拟。

(a)局域RMC模拟的示意图；

(b)对原始岩盐型结构中四重对称性进行模拟得到的ABED图像；

(c)最终模型的模拟ABED图像；

(d)用于模拟的实验ABED图像；

(e)最终模型的变形八面体构型；

(f)根据最终模型得到的接近六重对称性的模拟ABED图像；

(g)根据初始岩盐型模型和最终模型计算得到的结构因子S(Q)图。

图3：类岩盐型结构的ab initio分子动力学模型。

(a)用ab initio分子动力学模拟构建的非晶Ge-Sb-Te模型示意图；

(b)由<0 6 0 0>八面体的中心原子到六个顶点原子的键长分布；

(c-e)沿[001]-、[011]-、[111]-方向的岩盐型局域结构图像。

【小结】

总的来说，对非晶薄膜的ABED分析获得亚纳米尺度的局域结构信息。局域原子结构具有类岩盐型八面体构型，可通过局域RMC模拟对实验数据处理得到。与常规的RMC步骤不同，模拟是基于局域ABED数据的首先纳米尺度空间确定的。同时，作者发现类岩盐型局域结构对从宽区域获得的总强度做了主要贡献。此外，具有八面体构型的类岩盐型拓扑结构受到严重变形，晶体中理想八面体的高对称性破缺。换句话说，非晶拓扑相的局域原子结构与晶相类似，但在变形程度在有显著不同。对称破缺可能和化学键本征变化紧密相关，因此，导致了晶相和非晶相的大光学衬比。这项技术或将有助于描述非晶相变材料的光学性质与局域变形之间的关联。

文献链接：Distortion of Local Atomic Structures in Amorphous Ge-Sb-Te Phase Change Materials（Phy. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.205502）