基于硫族相变材料的相变存储器phase-change memory，例如Intel傲腾内存与固态硬盘，已进入全球存储器市场，填补了传统内存DRAM与固态硬盘SSD之间的性能缺口。相变存储器的核心功能层为锗锑碲合金Ge-Sb-Te(GST)。其工作原理是利用外加电脉冲所产生的焦耳热对存储器件局部进行加热，驱动GST在其晶体相与非晶相之间进行快速可逆的结构相变，而GST非晶相与晶体相之间超过三个数量级的电阻差异则被用于“0”和“1”的二元逻辑值识别。此外，相变材料的逐步结晶化模式所引发的电阻非线性连续变化可有效模拟生物神经元行为。因此，GST合金被视为研发类脑计算neuromorphic computing技术的重要材料载体之一。在2021年集成电路顶级会议VLSI上，IBM公司发布了其基于GST的类脑计算雏形芯片。GST合金的快速结晶化能力是支撑相变存储与类脑计算技术的核心，但受制于GST复杂的化学成键机制以及高温下较为随机的动力学过程，该相变过程的理论研究存在很大挑战。
近日，西安交通大学、意大利罗马大学与英国牛津大学研究人员通力合作，针对GST合金进行了纳米尺寸、纳秒级别的大规模第一性原理分子动力学计算，详细观测了GST快速结晶的原子过程，并基于“原子位置重叠”SOAP方法开发了结晶度的量化指标，揭示了重结晶过程中的空位随机分布行为以及反位缺陷的形成机制。基于GST重结晶计算结果，研究人员总结出了三种关键的安德森局域化行为，即空位聚集引起的准三维的电子局域、链状电子富集结构引起的准一维电子局域以及反位缺陷导致的准一维电子局域。这三种电子局域化行为决定了GST器件SET状态的电学行为。此外，通过十余种同族合金的大尺度第一性原理计算（最大模型包括3360个原子），研究人员阐明了电子局域化行为的普适性，并将硫族合金区分为以准三维局域化为主的p型半导体材料，例如Ge-Sb-Te、Sn-Sb-Te、Sb2Te3等，和以准一维局域化的n型半导体材料，例如Pb-Sb-Te、Sn-Bi-Te、Bi2Te3等。这些发现为研发基于p型与n型混合式硫族半导体电子器件提供了理论指导。
锗锑碲结晶过程的SOAP分析以及锗锑碲同族晶体中的电子局域行为
相关工作以“相变存储材料结晶化机理与电子态结构的大尺度第一性原理计算”（Unraveling Crystallization Mechanisms and Electronic Structure of Phase-Change Materials by Large-Scale Ab Initio Simulations）为题目在2022年1月6日发表于《先进材料》（Advanced Materials)，并被选为编辑推荐文章（Editor’s choice）。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一作者单位。西安交通大学材料创新中心（CAID）张伟教授与意大利罗马大学Riccardo Mazzarello副教授为本文通讯作者，论文共同第一作者为许亚芝、周宇星，主要合作者包括王旭东、Volker L. Deringer副教授以及马恩教授。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109139