近年来,集成电路产业高速发展,作为其核心部件之一的存储器获得了广阔的应用前景。凭借着非易失性、存储密度高、擦写速度快和使用寿命长等优点,相变存储器从新一代半导体存储器中脱颖而出。相变存储器利用存储材料在晶相和非晶相之间往复进行的快速可逆相变,以及与之伴随的物理性质的显著转变来实现二进制数据的擦写和读取操作。GeTe是一种窄带隙半导体,能够在数十纳秒的时间内完成晶态-非晶态可逆相变,与此同时伴随着电阻率的显著变化,是一种综合性能优异的相变存储材料。提高非晶态GeTe在室温下(约300 K)的稳定性可以提高存储数据的可靠性,而降低它在高温下(约600 K)的稳定性有助于提高器件的擦写速度。已有文献报道利用过渡金属掺杂GeTe以调制其非晶态稳定性,例如Cu掺杂可以提高其热稳定性,而W掺杂可以同时实现数据可靠存储和快速擦写,然而其内在机理尚不明确。本文通过第一性原理及第一性原理分子动力学方法,利用对关联函数、配位数、键角分布、环统计、差分电荷密度、电子局域化函数和均方位移等研究手段,在原子和电子尺度上系统地研究了过渡金属Cu和W掺杂GeTe的非晶态局域结构、化学键性质和相变过程中的原子扩散等,有效地克服了非晶态结构长程无序的研究难点,揭示了实验现象的内在机理。同时,本文还通过基于量子力学的第一性原理计算研究了 W掺杂晶态GeTe的结构、力学、磁学和输运性质等,探究其掺杂改性的机理,为开发性能优异的新材料提供理论依据。本文第三章研究了非晶态GeTe及Cu掺杂GeTe的局域结构。研究发现,Cu掺杂将显著提高四面体配位的Ge的比例,同时增加三元环的数量,由此扩大了非晶态和晶态GeTe的结构差异,是提高非晶态GeTe的稳定性和数据读取可靠性的重要原因。本文第四章研究了两种不同浓度的W掺杂GeTe的非晶态结构及其再结晶过程,并计算了体系的化学键性质。研究发现,W的热运动能力在常温和高温下有显著差异,其在常温下均方位移很小,并通过较强的化学键束缚Ge和Te的无规则热运动,从而提高了常温下非晶态GeTe的稳定性;W在高温下运动能力显著增强,Ge和Te也凭借着与晶态中相近的局域结构而快速结晶。揭示了 GeTe同时实现常温下的数据可靠存储和高温下的快速擦写的机理。本文第五章针对W掺杂立方晶相GeTe开展了研究。首次在相关体系中发现了大原子置换小原子后晶胞参数反常缩小的现象。经分析发现,W的外层电子进入Te的未填满的5p轨道,二者形成较短的W-Te键,从而造成局域结构收缩和晶胞参数变小。该发现突破了经典的Vegard定律的适用范围,为预测掺杂原子对基体晶胞参数的改变提供了更进一步的认识。另外,W还将使GeTe产生显著的性质转变。例如,W提高GeTe的载流子浓度,使其从半导体转变为导体;当W弥散分布时,体系将产生磁性;GeTe的力学性质也因W掺杂而发生从脆性断裂到韧性断裂的转变。以上发现对于拓展GeTe的应用前景有重要意义。