CN106374042A - 一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料及其制备方法与用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体材料领域，公开了一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料，其化学组成通式为SbNx，其中Sb代表锑元素，N代表氮原子，x代表不同的掺氮量标记，x＝1、2或3；经EDS测定，x＝1时掺入的氮原子百分比为9.6％,x＝2时掺入的氮原子百分比为15.3％；x＝3时掺入的氮原子百分比为22.5％。本发明的掺氮的Sb材料较好的解决了纯Sb材料的缺点和不足。通过掺入不同的氮原子，使Sb的晶化温度有了明显的提高，数据保持能力得到加强，因而提高了其稳定性。同时通过晶态电阻的提高，使得其RESET功耗降低了。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电子技术领域的半导体材料，具体涉及一种用于相变存储器的锑氮化物相变存储材料及其制备方法与用途。
背景技术
相变存储器(PCRAM)具有存储单元尺寸小、非挥发性、循环寿命长、稳定性好、功耗低和可嵌入等优点，被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一。PCRAM的存储核心是以硫属化合物为基础的相变材料，该相变材料依靠电脉冲产生的焦耳热诱导，实现非晶态和晶态之间的重复转换，在晶态和非晶态时相变材料分别具有低电阻和高电阻。利用差距明显的电阻值作为数据存储的“0”和“1”态，可以达到信息存储的目的。相变材料的性能对于PCRAM的信息读写特性具有重要的作用，尤其是相变材料的相变速度、两个电阻态的电阻等对于PCRAM的操作速度和操作功耗影响重大。
目前研究最多的相变材料是Ge2Sb2Te5，Ge2Sb2Te5材料虽然具有较好的综合性能，但是其热稳定性不高，晶化温度只有160℃左右，只能在85℃环境下将数据保持10年。此外，由于Ge2Sb2Te5材料的结晶机制是形核为主型，相变速度较慢，无法满足未来高速PCRAM的设计要求。为此，开发具有更高热稳定性、更快转变速度的相变材料成为业内的主要目标。近年来，富Sb的相变材料Sb-Sn、Sb-Se、Ge-Sb和Al-Sb等受到越来越多的关注，富Sb的相变材料由于其生长为主的晶化机制而具有较快的相变速度。(Yifeng Hu等，ScriptaMaterialia，115：19–23，2016)。
在相变材料中掺入适量的O原子或N原子，通过形成稳定性较高的氧化物或氮化物非晶颗粒，分布在相变材料周围，一方面可以阻止相变材料的晶化，提高相变材料整体的热稳定性；另一方面，通过减小晶粒尺寸，增加晶界数量，从而提高晶态电阻，可以降低器件在RESET过程中的功率消耗。Xilin Zhou等研究了在Si–Sb–Te中掺入N原子后的材料相变性能，结果表明生成的Si的氮化物会阻止晶粒的长大，从而提高Si–Sb–Te的晶化温度(XilinZhou等，Acta Materialia，115:7324-7333，2013)。Yin Zhang等在SiSb中掺入O原子，不但提高了SiSb的热稳定性，而且降低了其RESET过程的操作功耗(Yin Zhang等，Semiconductor Science and Technology,24(4):045016，2009)。
Sb材料由于其热稳定性较差，通过磁控溅射方法沉积的Sb材料即为晶态，因此无法满足相变存储器的技术要求。但是，Sb材料晶化速度较快，这受益于其生长为主的晶化机制，这使得其对于加快PCRAM的信息存取速度是非常有利的。
发明内容
为了提高相变材料的热稳定性和数据保持力，申请人在富Sb的二元相变材料Sn15Sb85(中国专利申请号201410655783.7，一种用于快速高稳定性相变存储器的掺氮纳米薄膜材料及其制备方法)、SbSe(中国专利申请号201510067737.X，用于相变存储器的SbSe基掺氮纳米薄膜材料及其制备方法)和GeSb(中国专利申请号201510067700.7，用于相变存储器的GeSb基掺氮纳米薄膜材料及其制备方法)中进行了掺氮实验，不同程度提高了材料的晶化温度，加强了热稳定性。但是，由于掺氮的二元相变材料元素种类偏多，给实际的工艺精确制备带来较大不确定性，因此产品性能稳定性差。相比于其他二元相变材料的氮掺杂成分，本发明的掺氮的Sb相变材料成分相对简单，易于工艺控制，而且相变特性较好。本发明的掺氮的Sb材料较好的解决了纯Sb材料的缺点和不足。通过掺入不同的氮原子，使Sb的晶化温度有了明显的提高，数据保持能力得到加强，因而提高了其稳定性。同时通过晶态电阻的提高，使得其RESET功耗降低了。通过掺氮使Sb材料成为了一种高速、高稳定性、低功耗的相变材料，从而具有较好的市场应用前景。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料，其化学组成通式为SbNx，其中Sb代表锑元素，N代表氮原子，x代表不同的掺氮量标记，x＝1、2、3。经EDS测定(场发射扫描电子显微镜，日立，S-4700)，本发明中x＝1、2、3分别对应掺入的氮原子百分比为9.6％,15.3％,22.5％。
优选的，所述x为2或3。
所述掺氮的Sb纳米相变薄膜材料的总厚度为45-65nm；优选为50nm。
本发明的掺氮的Sb纳米相变薄膜材料采用磁控溅射方法制备，通过在射频溅射沉积Sb薄膜的过程中同时通入氩气和氮气，并在纳米量级制备而成。
本发明的掺氮的Sb纳米相变薄膜材料，根据掺氮量的不同，在溅射过程中保持氩气和氮气的总流量为30sccm，如果氮气流量为a sccm，则相应的氩气流量为(30-a)sccm。
上述的SbNx纳米相变薄膜材料，当x＝1,2,3时均表现出明显的非晶态-晶态的相变过程，而且其稳定性随x的增加呈单调增加趋势。当x<1时，薄膜材料的晶化温度较低，其相应的热稳定性不佳，无法满足相变存储器的使用要求。而当x>3时，由于过量的氮掺杂，使得材料失去明显的相变过程，无法应用于相变存储器。纯的Sb材料在加热过程中没有明显的电阻突变过程，而是保持在低电阻状态，表明其沉积态即为晶态。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种SbNx纳米相变薄膜材料的制备方法，采用磁控溅射方法制备，衬底采用SiO2/Si(100)基片，溅射靶材为Sb，溅射气体为高纯Ar气和高纯N2气；
所述的Sb靶材的纯度原子百分比在99.999％以上，本底真空度不大于1×10-4Pa；
所述的Sb靶材采用射频电源，溅射功率为25-35W，优选为30W。
所述Ar气的纯度体积百分比在99.999％以上，溅射气压为0.3-0.5Pa；
所述氩气和氮气的气体总流量为30sccm，溅射气压为0.4Pa。
本发明所述的SbNx纳米相变薄膜的厚度可以通过溅射时间来调控。
本发明所述的SbNx纳米相变薄膜材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)清洗SiO2/Si(100)基片；
2)安装好溅射靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气和N2气的气体流量及溅射气压；
3)采用室温磁控溅射方法制备SbNx纳米相变薄膜材料，包括步骤a)和步骤b)；
a)将空基托旋转到Sb靶位，打开Sb靶上的射频电源，设定的溅射时间100～200s，开始对Sb靶材表面进行溅射，清洁Sb靶位表面；
b)Sb靶位表面清洁完成后，关闭Sb靶位上所施加的射频电源，将待溅射的基片旋转到Sb靶位，打开Sb靶位上的射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射SbNx薄膜；溅射完毕后获得所述的掺氮Sb纳米相变薄膜材料；
4)重复步骤2)和3)，改变Ar气和N2气的流量比例，在SiO2/Si(100)基片上分别制备出SbNx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料。
本发明上述的掺氮Sb纳米相变薄膜材料，可由制备方法中的Ar气与N2气的气体流量比来控制所获得的掺氮Sb纳米相变薄膜材料中的N原子的含量。
本发明的掺氮SbNx纳米薄膜材料能够应用于相变存储器，与传统的相变薄膜材料相比具有如下优点：首先，SbNx纳米相变薄膜材料具有较快的晶化速度(SbN2：8ns)，能够大大提高PCRAM的存储速度；其次，SbNx纳米相变薄膜材料具有较高的晶化温度(SbN3：260℃)和激活能(SbN3：3.53eV)，从而能够极大的改善PCRAM的稳定性；再次，相比未掺氮的Sb薄膜材料，SbNx纳米相变薄膜材料具有更高的非晶态和晶态电阻(纯Sb电阻2.3×102Ω；SbN3：非晶态9.2×104Ω，晶态3.1×103Ω)，从而可以有效降低PCRAM操作功耗。
附图说明
图1为本发明的SbNx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料及用于对比例1的Sb薄膜相变材料的原位电阻与温度的关系曲线。
图2为本发明的SbNx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料失效时间与温度倒数的对应关系曲线。
图3a用于制备PCRAM器件的结构示意图。
图3b为基于本发明的SbN2材料的PCRAM器件的I-V曲线。
图3c为基于SbN2和用于对比的Ge2Sb2Te5、SbSeN3器件的R-V曲线。
图3d为SbN2器件的循环测试曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例中制备的掺氮Sb纳米相变薄膜材料结构具体表示为SbN1。
制备步骤为：
1.清洗SiO2/Si(100)基片，清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质；
a)在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；
b)在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯N2吹干表面和背面；
c)在120℃烘箱内烘干水汽，约20分钟。
2.采用射频溅射方法制备SbN1薄膜前准备：
a)装好Sb溅射靶材，靶材的纯度均达到99.999％(原子百分比)，并将本底真空抽至1×10-4Pa；
b)设定溅射功率32W；
c)使用高纯Ar和高纯N2作为溅射气体(体积百分比均达到99.999％)，设定Ar气流量为29sccm，N2流量为1sccm，并将溅射气压调节至0.4Pa。
3.采用磁控溅射方法制备SbN1纳米相变薄膜材料：
a)将空基托旋转到Sb靶位，打开Sb靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(100s)，开始对Sb靶材进行溅射，清洁Sb靶材表面；
b)Sb靶材表面清洁完成后，关闭Sb靶上所施加的射频电源，将待溅射基片旋转到Sb靶位，开启Sb靶位射频电源，依照设定的溅射时间，开始溅射掺氮Sb薄膜。
最终获得的SbN1薄膜厚度为50nm，薄膜厚度通过溅射时间来控制，SbN1的溅射速率为2.3s/nm。
实施例2
制备本实施例的SbNx纳米相变薄膜材料，其具体结构分别为SbN0.5，SbN2，SbN3和SbN4且所述SbN0.5，SbN2，SbN3和SbN4纳米相变薄膜材料的厚度均为45-65nm。
上述SbN0.5，SbN2，SbN3和SbN4纳米相变薄膜材料的制备方法与实例1相同，只是在实施例2中所采用的溅射功率为35W。制备SbN0.5纳米相变薄膜材料设定的Ar气流量为29.5sccm，N2流量为0.5sccm；制备SbN2纳米相变薄膜材料设定的Ar气流量为28sccm，N2流量为2sccm；制备SbN3纳米相变薄膜材料设定的Ar气流量为27sccm，N2流量为3sccm；制备SbN4纳米相变薄膜材料设定的Ar气流量为26sccm，N2流量为4sccm。
对比例1
本对比例中制备单层Sb相变薄膜材料，结构表示为Sb，厚度50nm。
制备步骤为：
1.清洗SiO2/Si(100)基片，清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质；
a)在丙酮溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗；
b)在乙醇溶液中强超声清洗3-5分钟，去离子水冲洗，高纯N2吹干表面和背面；
c)在120℃烘箱内烘干水汽，约20分钟。
2.采用射频溅射方法制备Sb薄膜前准备：
a)装好Sb溅射靶材，靶材的纯度均达到99.999％(原子百分比)，并将本底真空抽至1×10-4Pa；
b)设定溅射功率30W；
c)使用高纯Ar气作为溅射气体(体积百分比达到99.999％)，设定Ar气流量为30sccm，并将溅射气压调节至0.4Pa。
3.采用磁控溅射方法制备Sb纳米相变薄膜材料：
a)将空基托旋转到Sb靶位，打开Sb靶上所施加的射频电源，依照设定的溅射时间(100s)，开始对Sb靶材进行溅射，清洁Sb靶材表面；
b)Sb靶材表面清洁完成后，关闭Sb靶上所施加的射频电源，将代溅射基片旋转到Sb靶位，开启Sb靶位射频电源，依照设定的溅射时间(340s)，开始溅射Sb薄膜。
对比例2
本对比例中制备的掺氮SbSe纳米相变薄膜材料结构具体表示为SbSeN3(中国专利申请号为201510067737.X，用于相变存储器的SbSe基掺氮纳米薄膜材料及其制备方法)。其制备方法类似于实施例1，只不过对比例2中采用的溅射靶材是SbSe，设定的Ar气流量为27sccm，N2流量为3sccm。薄膜厚度为50nm。
为了研究相变材料的相变特性和热稳定性，通过一个加热平台外接一个Keithley6517B数字信号源搭建了一个原位测量电阻-温度以及电阻-时间关系的测试系统。加热平台的温度由英国Linkam科学仪器有限责任公司TP 94型温度控制系统调节，降温通过LNP94/2型冷却系统利用液氮进行控制，升降温速率最高可到90℃/min，控温非常精确,该系统最高可加热至600℃。将上述实施例1和2的SbN0.5、SbN1、SbN2、SbN3、SbN4和对比例1的Sb相变薄膜材料进行测试，得到各相变薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线图1(SbN0.5的晶化温度较低，且非晶态和晶态电阻差异不到10倍，不满足相变存储器需求，因此未放入图1；SbN4材料也没有观察到明显的电阻突变过程，所以其测试曲线也未加入图1)；将上述实施例1和2的SbN1、SbN2、SbN3相变薄膜材料进行测试，得到各相变薄膜材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线图2。
PCRAM器件单元的测试采用器件电学性能测试系统，该系统可以对单元进行电流–电压(I–V)、电阻–电压(R–V)以及循环操作的疲劳特性等关系的测量。该测试系统主要有Agilent 81104A脉冲信号发生器、Keithley 2400C多功能信号源、Cascade微控探针台、GPIB卡等部件构成。器件结构的示意图见图3a。制备了基于上述实施例2的SbN2和对比例2的SbSeN3薄膜的PCRAM器件，并测试了其循环特性，结果如图附图3b～3d所示：
图1为本发明的SbNx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料及用于对比的Sb薄膜材料的原位电阻与温度的关系曲线，测试过程中的升温速率为10℃/min。结果显示，随着退火温度的升高，纯Sb薄膜材料的电阻没有明显的变化，表明其在沉积态时即已经发生结晶现象。此外，在低温下所有掺氮薄膜处于高电阻的非晶态。随着温度的不断升高，薄膜电阻缓慢降低，当达到其相变温度时，薄膜电阻迅速降低，到达某一值后基本保持该电阻不变，表明薄膜发生了由非晶态到晶态的转变。测试结果表明，随掺氮量的增加，薄膜的晶化温度逐渐提高，SbN1的晶化温度为160℃，SbN2、SbN3的晶化温度分别为220和260℃，表明相变薄膜材料的热稳定性有了较大的提高。同时，相变薄膜材料的晶态电阻由未掺氮时的201Ω增加到了SbN3的2300Ω，从而有助于降低RESET过程的功耗。
图2为本发明的SbNx(x＝1,2,3)纳米相变薄膜材料的失效时间与温度倒数的对应关系曲线。根据业内的统一评判标准之一，利用相变材料将数据保持10年时对应的温度来评判材料的数据保持能力。可以看出，本发明的掺氮Sb薄膜随着掺氮量的提高，数据保持力有了显著增加，即SbN1、SbN2、SbN3相变薄膜将数据保持10年的温度分别为46,112和146℃。也就是说，本发明的SbNx(x＝1,2,3)具有比传统纯Sb薄膜材料优异的数据保持能力。
为了验证本发明的相变材料的实用性，制备了基于本发明的实施例的SbN2薄膜的PCRAM器件，并测试了I-V、R-V和循环疲劳特性。图3a显示，本器件制备采用的是中芯国际0.18微米的标准CMOS工艺平台，在相变材料的上下面分别镀有钨电极，在上电极和相变材料之间还沉积了20纳米的TiN薄膜用于增加电极和材料之间的附着力。图3c结果表明，在8ns脉宽的电流脉冲的诱导下，成功实现了器件的RESET和SET操作，表明其具有较快的相变速度。其次，本器件的循环次数达到了1.8×105，表明该材料具有较好的可靠性，满足实用需求。相比而言，基于SbSeN3薄膜的PCRAM器件，其只能在200ns电流脉冲下实现电阻转换，而基于Ge2Sb2Te5材料的PCRAM器件，只能在500ns脉冲下实现可逆相变，因此本发明的掺氮Sb相变材料具有更快的相变速度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料，其特征在于：其化学组成通式为SbNx，其中Sb代表锑元素，N代表氮原子，x代表不同的掺氮量标记，x＝1、2或3；经EDS测定，x＝1时掺入的氮原子百分比为9.6％，x＝2时掺入的氮原子百分比为15.3％；x＝3时掺入的氮原子百分比为22.5％。
2.根据权利要求1所述掺氮的Sb纳米相变薄膜材料，其特征在于：x＝2或3。
3.根据权利要求1所述掺氮的Sb纳米相变薄膜材料，其特征在于：薄膜材料厚度为45-65nm。
4.根据权利要求3所述掺氮的Sb纳米相变薄膜材料，其特征在于：薄膜材料厚度为50nm。
5.一种权利要求1所述的掺氮的Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，采用磁控溅射方法制备，衬底采用SiO2/Si(100)基片，溅射靶材为Sb靶材，溅射气体为高纯Ar气和高纯N2气，在溅射过程中保持氩气和氮气的总流量为30sccm；
其特征在于：具体包括以下步骤：
1)清洗SiO2/Si(100)基片；
2)安装好溅射靶材；设定溅射功率，设定溅射Ar气和N2气的气体流量及溅射气压；
3)采用室温磁控溅射方法制备SbNx纳米相变薄膜材料，包括步骤a)和步骤b)；
a)将空基托旋转到Sb靶位，打开Sb靶位上的射频电源，设定的溅射时间100～200s，开始对Sb靶材表面进行溅射，清洁Sb靶位表面；
b)Sb靶位表面清洁完成后，关闭Sb靶位上所施加的射频电源，将待溅射的基片旋转到Sb靶位，打开Sb靶位上的射频电源，开始溅射SbNx薄膜；溅射完毕后获得所述的掺氮的Sb纳米相变薄膜材料。
6.根据权利要求5所述的一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：Sb靶材的纯度以原子百分比计在99.999％以上，本底真空度不大于1×10-4Pa；所述的Sb靶材采用射频电源，溅射功率为25-35W。
7.根据权利要求6所述的一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述的Sb靶材采用射频电源，溅射功率为30W。
8.根据权利要求5所述的一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述Ar气的纯度以体积百分比计在99.999％以上，溅射气压为0.3-0.5Pa。
9.根据权利要求8所述的一种掺氮的Sb纳米相变薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述氩气和氮气的气体总流量为30sccm，溅射气压为0.4Pa。
10.一种权利要求1所述掺氮的Sb纳米相变薄膜材料的用途，其特征在于：用于相变存储器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108493337A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-04 | 江苏理工学院 | 一种镧系元素铈掺杂纯锑纳米相变材料及其制备方法 |
| US10889887B2 (en) | 2016-08-22 | 2021-01-12 | Honeywell International Inc. | Chalcogenide sputtering target and method of making the same |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1604210A (zh) * | 2004-11-10 | 2005-04-06 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 可用于相变存储器多级存储的相变材料 |
| CN102376877A (zh) * | 2010-08-05 | 2012-03-14 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 相变存储器及其形成方法 |
| CN102751435A (zh) * | 2011-04-21 | 2012-10-24 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变存储材料及其制备方法 |
| CN103887430A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-25 | 江苏理工学院 | 掺氮改性的相变薄膜材料及其制备方法 |
| CN104681720A (zh) * | 2015-02-09 | 2015-06-03 | 江苏理工学院 | 用于相变存储器的SbSe基掺氮纳米薄膜材料及其制备方法 |
-
2016
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1604210A (zh) * | 2004-11-10 | 2005-04-06 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 可用于相变存储器多级存储的相变材料 |
| CN102376877A (zh) * | 2010-08-05 | 2012-03-14 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 相变存储器及其形成方法 |
| CN102751435A (zh) * | 2011-04-21 | 2012-10-24 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变存储材料及其制备方法 |
| CN103887430A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-25 | 江苏理工学院 | 掺氮改性的相变薄膜材料及其制备方法 |
| CN104681720A (zh) * | 2015-02-09 | 2015-06-03 | 江苏理工学院 | 用于相变存储器的SbSe基掺氮纳米薄膜材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| HU YIFENG,ET AL: "Improved thermal stability of N-doped Sb materials for high-speed phase change memory application", 《APPL. PHYS. LETT. 》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10889887B2 (en) | 2016-08-22 | 2021-01-12 | Honeywell International Inc. | Chalcogenide sputtering target and method of making the same |
| US11946132B2 (en) | 2016-08-22 | 2024-04-02 | Honeywell International Inc. | Chalcogenide sputtering target and method of making the same |
| CN108493337A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-04 | 江苏理工学院 | 一种镧系元素铈掺杂纯锑纳米相变材料及其制备方法 |
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