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常压/高压下Ge1-xSnxTe的相变行为和红外光学性质研究

常压/高压下Ge1-xSnxTe的相变行为和红外光学性质研究

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作者：崔梦茜吉林大学

学位级别：硕士

典型的硫系相变材料(PCM)如GeSbTe和Ge Te,能够在热或电激励作用下快速地从非晶态可逆地转变为结晶态,并同时伴随着光学性质的巨大变化。PCM的这一特性,令其受到了光学器件领域大量研究者们的广泛关注。除了传统的热激励方式,压力作为... 详细信息

典型的硫系相变材料(PCM)如GeSbTe和Ge Te,能够在热或电激励作用下快速地从非晶态可逆地转变为结晶态,并同时伴随着光学性质的巨大变化。PCM的这一特性,令其受到了光学器件领域大量研究者们的广泛关注。除了传统的热激励方式,压力作为另一重要的热力学参数,同样能够激励PCM发生相结构的转变。早在20年前人们就开展了对PCM在高压领域的研究,时至今日,研究者们已经在PCM高压下的相变行为、电学性质变化等方面取得了重要进展,但仍存在一些问题。具体表现在以下几个方面:(1)PCM作为光学性质优异的相变材料,其高压下的光学性质还尚未受到研究者们的广泛关注,特别是红外光学性质(2)缺少热致和压致相变所带来的光学性质变化的比较分析(3)缺少实验证明。现有基于PCM的高压研究大多数停留在理论计算阶段,计算结果常常存在分歧且缺少实验证明。例如Ge Te的压致金属化,尚未得到实验证明。针对上述问题,我们通过在Ge Te中引入Sn原子设计了GeSnTe相变材料,并和Ge Te、GeSbTe做对比,采用实验和理论计算相结合的方式,研究了其在常压和高压下的相变行为和红外光学性质,并对GeSnTe和Ge Te的压致金属化转变进行了验证。研究主要分为以下两个部分:(1)常压下GeSnTe、Ge Te、GeSbTe的相变行为和红外光学性质研究。我们制备了具有相同膜厚的GeSnTe、Ge Te、GeSbTe薄膜,发现Sn的引入令GeSnTe具有比Ge Te更低的相变温度,且GeSnTe还具有最高的红外反射调制能力,Ge Te次之,GeSbTe最差。通过实验和理论计算,提出GeSnTe的高红外反射调制能力起源于其高有序度的无空位结构所产生的强p-p耦合,以及低带隙和低空位形成能所带来的高载流子浓度。(2)高压下GeSnTe、Ge Te的相变行为和红外光学性质研究。分别对GeSnTe和Ge Te在0-30 GPa压力范围内的相结构和红外反射率进行了表征,发现GeSnTe和Ge Te的相变路径相同(低压立方-高压正交),但GeSnTe的相变压力明显低于Ge Te;且GeSnTe在压力下的红外反射调制能力远远超过Ge Te,甚至比常压下热致相变产生的对比度更高;通过结合实验和理论计算结果,确定了GeSnTe和Ge Te的金属化转变均发生在低压立方相中,并指出高压下GeSnTe的高红外反射调制能力起源于其金属化转变所带来的电子离域化程度的增强。

关键词：硫系相变材料光学薄膜红外反射调制高压金属化

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