应用高通量合成与表征方法研究Sb2Te3-Sb2Se3相变材料

李斌^*，谢平，刘定权

中国科学院上海技术物理研究所，上海，200083，中国

详细摘要：相变材料（Phase-change materials，PCMs）是一种能够极为快速（几百皮秒）地在不同物相所代表的“态”之间反复切换（大于108次），经由相变时原子排列的变化展现出巨大光学和电学性能差异（例如，晶态和非晶态的介电常数分别可达25.0和9.0）的材料。由于锗锑碲系三元硫属化合物Ge2Sb2Te5（通常表示为GST）具有稳定的晶态和非晶态，且相变具有速度快、非易失和可逆等优点，是目前研究最多，最为成熟的相变材料。然而，相对于它的非晶态（a-GST），晶态的Ge2Sb2Te5材料（c-GST）在红外波段展现出不可忽视的自由载流子吸收特性，其消光系数k随波长急剧增大，从而在遥感技术中最有意义的长波红外大气窗口（8~15 μm）已经不具有透射谱，丧失了在长波红外光学的应用价值。

在研究中，我们使用高通量方法合成了Sb2Te3-Sb2Se3所形成组合材料库（Combinatorial materials libraries），其可以实现空间可定位，并方便直接进行原位表征。随后，使用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR spectrometer）配合Hyperion显微镜进行了红外透射特性的表征，使用能量散射X射线分析（Energy dispersive X-ray analysis，EDX）进行了化学配比的表征，使用微区X射线衍射分析（micro-area X-ray diffraction，μ-XRD）进行了微结构表征，使用二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS）进行元素深度分布（Depth profile of elements）分析，图1为所合成的组合材料库。

研究表明：随着Sb2Te3浓度的增加，组合材料库中薄膜样品逐渐由非晶态转变为Sb2Se3所特有的正交晶体结构，再逐渐转变为Sb2Te3所特有的菱形晶体结构。而其红外透射光谱对应于非晶态、正交晶体结构、和菱形晶体结构明显可以分为三个组。

通过研究，我们可以得出结论：非晶态Sb2Se3薄膜在长波红外光谱范围具有优异光谱透射率，是一种优良的中折射率的红外光学材料。此外，因为红外透射光谱可以感知薄膜材料物相，是一种在材料高通量研究中简单易行的表征方法。

图1. 合成的组合材料库