CN102241168A - 纳米颗粒复合相变材料及其制备方法 - Google Patents

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张科
王阳
黄欢
吴谊群
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Abstract

一种纳米颗粒复合相变材料及其制备方法，该材料的构成自下而上依次包括：衬底层、第二相层、相变层和保护层，所述的衬底层是厚度为3.0mm的Si片或K9玻璃片，所述的第二相层是厚度为10～100nm的Si或Ge或SbTe或Sb薄膜，所述的相变层是厚度为10～100nm的GeSbTe或AgInSbTe相变材料薄膜，所述的保护层是厚度为10～20nm的SiN或ZnS-SiO2薄膜，所述的第二相层和相变层在激光辐照的作用下形成复合相变层。本发明材料具有较高的晶化速度。

Description

纳米颗粒复合相变材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及相变材料，是一类可提高相变材料晶化速度的纳米颗粒复合相变材料及其制备方法。可用于相变信息存储，提高数据擦除(晶化)速度。也可用于近场光学、光开关、光导波和光传感等领域。
背景技术
相变材料已经在可擦重写光盘中获得广泛应用，在下一代半导体相变存储器中也显现出很好的应用前景，并有望基于它形成通用存储器(Unified Memory)。随着存储密度、容量的提高和功能的扩展(如应用于动态随机存储器)，关注的重点，会从密度问题转到速度问题上，在超高密度的同时，实现超高速的信息记录和擦除是下一代相变存储器件的要求。
影响相变存储器速度的因素是多方面的，其中材料本身的响应速度是关键因素之一。如何在不影响其他性能的前提下加快相变材料的晶化速度是其中的核心问题。
相变材料的晶化动力学过程可以通过JMAC方程进行描述，制约晶化速度提高的主要因素就在于材料结晶活化能(GeSbTe等形核主导材料主要表现为形核能)。经典结晶理论指出，材料非均匀形核比均匀形核所需的能量要小，其差值主要决定于第二相与本底材料的界面能，因而选择与相变材料相容性好的第二相材料形成复合材料便可以降低形核能，进而加速结晶过程。
通过引入第二相材料复合以改造原有材料性能的研究和应用已有很多，如通过引入炭黑对高分子材料的导热和导电性能改造。复合材料的性能取决于第二相材料的选择及其在复合材料中的尺寸、形貌和分布状况。以往研究是直接将制备好的第二相材料通过机械、热扩散或溶胶-凝胶化学方法复合进基体材料之中，对材料的形成区域往往无法控制。
发明内容
本发明将克服上述现有技术的局限性，提供一种纳米颗粒复合相变材料及其制备方法，该复合相变材料具有快速晶化的特性。
本发明的技术解决方案如下：
一种纳米颗粒复合相变材料，特点在于其构成自下而上依次包括：衬底层、第二相层、相变层和保护层，所述的衬底层是厚度为3.0mm的Si片或K9玻璃片，所述的第二相层是厚度为10～100nm的Si或Ge或SbTe或Sb薄膜，所述的相变层是厚度为10～100nm的GeSbTe或AgInSbTe相变材料薄膜，所述的保护层是厚度为10～20nm的SiN或ZnS-SiO2薄膜，所述的第二相层和相变层在激光辐照的作用下形成复合相变层。
所述的纳米颗粒复合相变材料的制备方法，其特点在于包括下列步骤：
①利用真空磁控溅射设备，在真空度为1.0×10-4pa的条件下，在清洁的衬底层上依次溅射所述的第二相层、相变层和保护层的薄膜结构；
②利用波长为488nm，脉宽为200ns，功率为12mW的纳秒脉冲激光，通过数值孔径为0.9的物镜聚焦后作用在所述的薄膜结构上，使被辐照区域在熔化-凝固后第二相纳米颗粒分散于所述的相变层的材料中，形成复合相变层，完成本纳米颗粒复合相变材料的制备。
所述的复合相变层是Si纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或Sb纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或Ge纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或SbTe纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或Si纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料，或Sb纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料，或Ge纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料，或SbTe纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料。
复合材料中，第二相纳米颗粒的尺寸、分布和晶化状态可以通过改变激光脉冲的参数(功率、脉宽、扫描速度等)来调节，形成复合材料的区域可以通过改变激光作用区域来调节。
本发明的技术效果：
本发明通过激光作用于由相变基质材料和第二相材料组成的双层膜结构，通过激光诱导的快速熔化-凝固，在作用区域形成第二相纳米颗粒分散于所述的相变层材料中的复合材料，其晶化速度高于复合前的相变基质材料。第二相纳米颗粒和相变基质材料的晶化状态可以通过改变激光作用条件或预处理和后续处理条件来调节。通过调节第二相纳米颗粒的种类、晶化状态、大小和分布等可以改变复合材料的晶化速度。与现有技术相比，形成复合材料的区域可以通过选择激光作用区域来调节，且第二相纳米颗粒的可控性更好，易于通过改变激光功率，脉宽，扫描速度等来调节纳米颗粒的尺寸、分布和晶化状态等。通过该方法，既可以在选择区域制备纳米颗粒复合材料薄膜，也可以制备大面积的纳米颗粒复合材料薄膜，且制备和性能控制方法简单。
经测试表明，本发明复合相变材料的相变速度比现有的相变材料的相变速度提高20％-50％，并使材料的其他性能，如热导、相变前后电阻对比度等可调，以得到不同应用需求下材料的最优综合性能。
附图说明
图1为本发明制备纳米颗粒复合相变材料的薄膜结构示意图
图2为激光脉冲作用前后材料晶化动力学过程图之1。其中样品1为复合前的基质相变材料，样品2-4为第二相为低电导材料的复合材料，第二相在复合材料中所占原子比为10％。
图3为激光脉冲作用前后材料晶化动力学过程图之2。其中样品1为复合前的基质相变材料，5-7为第二相为高电导材料的复合材料。第二相在复合材料中所占原子比为10％。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
所述的纳米颗粒复合相变材料的制备方法，包括下列步骤：
①利用真空磁控溅射设备，在真空度为1.0×10-4Pa的条件下，在清洁的Si衬底层4上依次溅射所述的Sb第二相层3(膜厚40nm)、Ge2Sb2Te5相变层2(膜厚40nm)和SiN保护层1(膜厚10nm)的薄膜；
②利用波长为488nm，脉宽为250ns，功率为12mW的纳秒脉冲激光，通过数值孔径为0.9的物镜聚焦后作用在所述的薄膜上，激光辐照区域在熔化-凝固后第二相纳米颗粒分散于所述的相变层的材料中，形成复合相变层，完成本纳米颗粒复合相变材料的制备。
其他实施例2至实施例17的参数如下表所示，其制备过程恕我不再赘述。其在激光脉冲作用前后本发明纳米颗粒复合相变材料晶化动力学过程(电阻率变化)经模拟计算的结果如图2和图3的曲线所示，其中曲线1为现有相变材料的，其它编号曲线对应于实施例序号，由图可见，本发明纳米颗粒复合相变材料的相变速度与现有的相变材料的相变速度相比，有明显的提高，约为20％-50％。
Figure BSA00000480064400041

Claims (3)

1.一种纳米颗粒复合相变材料，特征在于其构成是自下而上依次包括：衬底层(4)、第二相层(3)、相变层(2)和保护层(1)，所述的衬底层是厚度为3.0mm的Si片或K9玻璃片，所述的第二相层(3)是厚度为40～70nm的Si或Ge或SbTe或Sb薄膜，所述的相变层(2)是厚度为45～100nm的GeSbTe或AgInSbTe相变材料薄膜，所述的保护层(1)是厚度为10～20nm的SiN或ZnS-SiO2薄膜，所述的第二相层(3)和相变层(2)在激光辐照的作用下形成复合相变层。
2.权利要求1所述的纳米颗粒复合相变材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
①利用真空磁控溅射设备，在真空度为1.0×10-4Pa的条件下，在清洁的衬底层(4)上依次溅射所述的第二相层(3)、相变层(2)和保护层(1)的薄膜；
②利用波长为488nm，脉宽为100～250ns，功率为6～16mW的纳秒脉冲激光，通过数值孔径为0.9的物镜聚焦后作用在所述的薄膜上，激光辐照区域在熔化-凝固后第二相纳米颗粒分散于所述的相变层的材料中，形成复合相变层，完成本纳米颗粒复合相变材料的制备。
3.根据权利要求2所述的纳米颗粒复合相变材料的制备方法，其特征在于所述的复合相变层为Si纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或Sb纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或Ge纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或SbTe纳米颗粒和GeSbTe构成的复合材料，或Si纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料，或Sb纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料，或Ge纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料，或SbTe纳米颗粒和AgInSbTe构成的复合材料。
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