当前课程知识点：大学化学 > 第十二章 化学与现代科学 > 化学与材料-相变材料（二） > Video
同学们好
前面我们学习了
相变储能材料
现在我们学习
另外一种相变材料
相变存储材料
说到存储
同学们马上就会想到
计算机里是用0和1
来进行信息存储
和逻辑运算的
我们知道
计算机里的CPU
包含有很多晶体管
这些晶体管只有导通
和不导通两种情况
通常我们把电流
可以导通的情况
定义为1
不导通定义为0
用这个原理加上
比较复杂的组合
我们就可以实现
信息存储和运算
相变存储材料
就是利用材料
在发生相变的时候
它的晶态和非晶态之间
巨大的导电性差异
来实现信息存储的
当相变材料
处于晶态的时候
它的原子排布
呈现长程有序的状态
电阻比较小
在一定的电压下
通过的电流比较大
我们就把这种状态
定义为1
而当发生相变之后
材料处于非晶态
原子排布呈现
短程有序
而长程无序的状态
这时候它的电阻大
在同样的电压下
通过的电流小
我们就可以把这种状态
定义为0
那么有了1和0之后
我们就可以进行
信息存储了
为什么一些材料在
晶态和非晶态
呈现巨大的
导电性差异呢
我们在上节课提到
当相变发生的时候
物质的聚集状态
可能不会发生变化
但结构会发生变化
另外一种情况
是聚集状态和结构
都发生变化
无论哪一种结构
发生相变的时候
材料的结构
一定会发生变化
我们知道
材料的性质
不仅来源于其组成
还取决其结构
当材料因发生相变
结构发生变化的时候
除了伴随吸热
或者是放热
等热效应之外
与这些结构
相对应的物理性质
如反射率
折射率、电阻
也会发生相应的变化
这些物理性质的差别
就是这些相变材料
用作功能材料的基础
实际上
相变存储材料的发现
起源于1968年
美国的沃弗辛斯基
首先在硫系化物中
发现材料非晶态
与结晶态的反射率
等光学特性
会有显著的变化
这种效应
已经被运用于
光学存储方面
例如
可插写的DVD和CD光盘等
一年之后
他又发现
这种化合物的电阻率
也会随着材料
相的变化
而显着改变
随即将此效应
应用于存储器中
从而开始了
相变存储器的研究
存储器主要分为
易失性和非易失性
两种类型
随着现代计算机技术的
飞速发展
人们对存储器的性能
有了更高的要求
现代主流计算机内存
使用的是
动态随机存取存储器
在断电之后
所有的数据将丢失
是一种易失性存储器
而相变存储器
是一种非易失性的存储器
它的读写速度高
存储容量大
功耗比较低、抗辐射
这就有利于在
太空中进行运用
另外
相变存储器
它的使用寿命长
比目前的闪存快3000倍
是未来存储器发展的
主流方向之一
相变存储器
通常采用一种
类似蘑菇状的器件结构
主要由电极
加热器、绝热层
还有我们最重要的
相变材料组成
当我们跟加热器
也就是一个电阻
施加一个电脉冲的时候
加热器产生的热量
使得相变材料
在晶态和非晶态之间转换
由于晶态和非晶态
相变材料的电阻不同
即可以实现
信息的存储
我们来看一下
相变存储器
如何实现信息的写入
擦除和读取
如果对加热器施加一个
较长时间
中等强度的电流脉冲
就可以在脉冲作用区域
实现对于相变材料的加热
使它的温度升高到
结晶温度以上
熔点温度一下
从而结晶
这个过程通常
被称为写入过程
也叫SET过程
这时候器件具有
较小的电阻
存储的数据为1
如果对已经处于
晶态的相变材料
施加一个强度更高
但作用时间比较短的
电流脉冲
在焦耳热的作用下
相变材料的温度
会迅速升高到
熔点之上
而后经过一个快速冷却的
淬火过程
使材料来不及晶化
由熔融状态
直接进入了非晶态
这个过程就被定义为擦除
也叫RESET过程
这个时候器件
具有很高的电阻
存储的数据
就由1变为了0
在读取数据时
在器件两端
我们施加一个
足够低的电压
如果存储的数据为0
那么器件的电阻就很大
因而产生的
电流比较小
系统检测到
有微弱电流时
就判断它是数据0
如果存储的数据是1
器件的电阻很小
产生的电流比较大
系统检测到较大的电流时
就可以判断它是数据1
在读取过程中
由于流经相变区域的
电流很小
不足以引起材料的相变
所以它是一种
非破坏性的读取
这了满足相变存储器
在写入能力
擦写能力
循环读取能力
存储信息的稳定性
等方面的需要
相变材料的结晶特性
和电学性能
必须要满足一定的要求
比如
要使器件具有低的
擦写电流
材料应该具有
较高的晶态电阻率
和较低的熔点
要使器件具有
较长的数据保存时间
非晶态必须具有
较好的热稳定性
其相变前后
材料的体积变化要小
在结晶特性方面
要使器件的性能
在较高的温度下工作
一般要求
相变材料的结晶温度
要高于150℃
熔点在600℃左右
要使器件
具有比较短的
信息擦除时间
材料必须在很短的时间内
完成结晶
那么要使器件寿命长
材料的相变循环次数要高
在电学性能方面
材料的非晶态
与晶态之间的电阻差异
应该足够大
以满足器件
在噪声方面的要求
很多材料都具有
相变的能力
但是并非所有的相变材料
都能够用于信息的存储
这是因为
并非所有的材料
相变前后
都有强烈的电阻反差
而这种差别是相变材料
能够运用到存储器中的
最主要的因素
正是因为相变存储器
对于相变材料
有着特殊的性能要求
所以
能应用到相变存储器的
相变材料寥寥无几
目前研究最多
最为成熟的相变材料
是Ge-Sb-Te 系合金
无论在多媒体数据光盘
还是在相变存储器中
都得到了广泛的应用
在Ge-Sb-Te系
相变存储材料中
运用最广泛的材料组分
是Ge2、Sb2
Te5这个组分
一般我们把它简称为GST
这个组分
之所以能得到
如此广泛的应用
是因为它具有
较好的电学性能
在高温下
它的性能比较稳定
数据保持能力也比较强
我们这张图给出的是
GST薄膜的电阻
随温度的变化曲线
可以看到
材料的电阻下降过程
可以分为两步
这是因为GST从非晶态
转化到晶态的相变
是一个两步的结晶过程
首先从非晶态变化到
亚稳态的面心立方结构
然后从面心立方结构
继续变化到
六方密堆结构
这两个相转变温度
分别是150℃和360℃
从这个图我们还可以看到
从非晶到六方结构
薄膜的电阻率
相差在5个数量级
完全能够满足
相变存储器
数据存储的要求
对GST相变材料的研究
已经有20多年的时间
其基本性能
已经被掌握
目前
对相变存储材料的改进
还是主要基于这类材料
研究发现Ge-Sb-Te薄膜
随着Ge和Sb含量的增加
结晶温度
和相转变温度逐渐升高
非晶态和晶态的电阻率
也有所增大
因此可以在Ge-Sb-Te
三元相图中
探索更多的组分
通过组分调控
来满足实际器件的要求
另外向GST材料中
掺入适量的N
有助于GST的多值存储
向GST中掺入适量的Sn
可以在一定程度上
提高器件的编程速度
掺入Sn之后
写0的速度
可以由200ns
缩短至40ns
而写1的速度
可以由原来的40ns
减少到10ns
读取数据的速度
也有所提高
因为这时候
晶态的阻值
可以大大的降低
这样就实现了
低功耗
快速读写
在新型相变材料的开发方面
我们还需注意到
传统的GST材料中
Te的熔点低
蒸汽压高
高温下易挥发
有毒
因此
亟待寻找
环境友好型的相变材料
目前人们正在开发
GeSb和SiTe
系列的相变存储材料
另外对相变存储材料
相变机理的研究
不仅能够解释
相变材料的相变过程
并且可以通过
对于相变过程认识的提升
可以优化
相变存储材料
和促进新型高性能
相变存储材料的研发
由于这类相变
是纳秒级的
快速转化的过程
相变机理的认识
目前还不是很清楚
由于这类相变是
纳秒级的
快速转化的过程
相变机理的认识
仍然比较模糊
实验数据非常缺乏
并且与理论计算的结果
不太统一
因此对GST
即新型相变存储材料的
相变机理研究
仍需要进一步的加强
那么我们对于
相变存储材料的介绍
就到这里
-1.1 不一样的大学化学
--Video
-1.2 化学体系的建立
--Video
-1.3 应该了解的化学
--Video
-1.4 课程学习的必要准备
--Video
-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液晶
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
--Video
-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
--Video
-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
--Video
-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
--Video
-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
--Video
-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
--Video
-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
--Video
-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
--Video
-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
--Video
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
--Video
-4.1 离子键理论—离子键价键构型
--Video
-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
--Video
-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
--Video
-4.2 共价键理论—现代价键理论
--Video
-4.2 共价键理论—共价键的性质
--Video
-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
--Video
-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
--Video
-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
--Video
-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
--Video
-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
--Video
-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
--Video
-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
--Video
-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
--Video
-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
--Video
-4.6 分子间作用力-分子的极性
--Video
-4.6 分子间作用力-分子间作用力
--Video
-4.7 氢键
--Video
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
--Video
-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
--Video
-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
--Video
-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
--Video
-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
--Video
-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
--Video
-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
--Video
-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
--Video
-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
--Video
-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
--Video
-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
--Video
-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
--Video
-7.1 自发过程与自发反应（二）
--Video
-7.2 熵与热力学第二定律—熵
--Video
-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
--Video
-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
--Video
-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
--Video
-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
--Video
-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
--Video
-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
--Video
-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
--Video
-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
--Video
-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
--Video
-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
--Video
-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
--Video
-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
--Video
-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
--Video
-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
--Video
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
--Video
-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
--Video
-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
--Video
-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
--Video
-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
--Video
-9.1 酸碱平衡—同离子效应
--Video
-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
--Video
-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
--Video
-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
--Video
-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
--Video
-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
--Video
-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
--Video
-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
--Video
-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
--Video
-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
--Video
-10.2 原电池与电极电势—原电池
--Video
-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
--Video
-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
--Video
-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
--Video
-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
--Video
-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
--Video
-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
--Video
-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
--Video
-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
--Video
-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
--Video
-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
--Video
-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
--Video
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
--Video
-无机元素化学-p区元素
--Video
-无机元素化学-过渡元素
--Video
-生命化学概论-生命有机化合物官能团
--Video
-生命化学概论-生命元素-碳
--Video
-生命化学概论-生命元素-氧
--Video
-生命化学概论-蛋白质
--Video
-生命化学概论-核酸
--Video
-生命化学概论-糖
--Video
-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
--Video
-生命化学概论-药物
--Video
-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
--Video
-纳米科学与化学-微观结构与仿生
--Video
-纳米科学与化学-纳米结构的观察
--Video
-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
--Video
-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
--Video
-化学与材料-正渗透与水处理技术
--Video
-化学与材料-相变材料（一）
--Video
-化学与材料-相变材料（二）
--Video
-化学与材料-范德华力与二维材料
--Video
-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
