相变存储器技术作为最具潜力的下一代非易失性半导体存储技术在学术界和工业界得到了越来越广泛的关注。本论文以新型相变材料的开发为主题，以相变材料的产业化应用为目标，针对目前相变存储器技术面临的材料热稳定性、存储容量、器件操作功耗和可靠性等问题开展了新型相变材料及其存储机理的研究，为我国相变存储器的产业化做了有益的探索。本论文的研究内容主要分为三个部分:新型SiSbTe材料研究，传统Ge2Sb2Te5材料的掺杂改性研究和新型Sb基二元合金研究。主要创新成果包括:　　1.提出了基于Sb2Te3-Si2Te3伪二元链的Si2Sb2Te6材料。研究发现Si2Sb2Te6材料具有优于GST材料的非晶态热稳定性，且表现出更强的粘附力性能。Si2Sb2Te6薄膜的结晶过程中没有亚稳相产生，形成以Sb2Te3晶相为主的晶态结构。基于Si2Sb2Te6薄膜的存储器件表现出良好的低功耗特性，实现了5×105次疲劳擦写操作。在器件单元中插入TiO2缓冲层材料后获得了更稳定的电阻态和操作阈值电压。此外，采用原位加热的方法研究了相变过程中薄膜微观结构的变化，发现了不可避免的Te元素向薄膜表面的偏析和随后的挥发。这一现象严重影响了器件的操作速度和可靠性。　　2.开发了富Sb的SiSbTe材料体系。发现了具有多级存储潜力的Si18Sb52Te30材料，该材料在原位加热的结晶过程中表现出了具有显著差异的晶体结构无序度。通过控制电压脉冲的下降沿宽度，在Si18Sb52Te30器件中实现了具有足够阻值分辨率的多级电阻态。在富Sb的SiSbTe材料中分别掺入硅、氮元素，改变了材料体系的结晶模式，明显提高了材料的热稳定性，获得了具有良好非晶热稳定性（数据有效保持10年的最低温度大于120℃）和优异电学转变性能（循环寿命大于107次）的掺N材料组分(17at.％ N)。此外，根据SiSbTe材料在纳米尺度范围内随机成核的晶化方式提出了“扩渗转变”的相变模型，有助于加深对相变材料阈值转变现象的理解。　　3.系统研究了C掺杂的Ge2Sb2Te5材料体系。通过实验和理论计算的系统研究发现，C元素掺杂有效地提升了薄膜的非晶态和FCC结构的热稳定性，在高温下抑制了孔洞的产生。薄膜中的大多数C原子随机分布在晶核周围的非晶团簇中，限制了晶粒的生长;另一部分C原子处于晶粒内部，倾向于替代Te原子或作为间隙原子。材料中形成的稳定C-C链严重扰乱了Ge-Te原子网络结构，使四面体Ge原子的浓度大大增加，Ge-Te键的平均键长明显缩短，导致了更缓慢的结晶过程和更强的非晶稳定性。由于掺C的GST材料的晶粒尺寸小，电导率和热导率低，从而减少了相应器件RESET过程的热量散失，降低了器件的编程功耗。在18at.％C的薄膜器件中得到了2.1×104次疲劳擦写循环。该材料体系与先进的高密度阵列的薄膜沉积工艺兼容，同时具有足够的非晶态数据保持能力，是高密度相变存储器的优选材料。　　4.提出了环境友好的AlxSb100-x材料体系。研究发现AlxSb100-x薄膜中出现了电阻差别明显的分步结晶现象。Al原子浓度的增加改善了薄膜的热稳定性，薄膜的阈值转变能力也得到提升。Sb原子周围的局部化学环境在结晶过程中发生了明显变化，而大部分Al原子始终表现为非晶相。基于Al50Sb50薄膜的器件单元在RESET操作中可以实现稳定的中间电阻态，表现出了大容量存储的应用前景。该材料体系不包含在高温下不稳定的Te元素，且与现有的集成电路制造工艺兼容。