皮秒脉冲激光诱导Ge2Sb2Te5材料晶化研究

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光信息存储信息技术与随着社会的发展其重要性越来越高,随着信息流动的增加,相变光存储的重要地位愈发显现出来,因为其信息读写速度快、能耗低以及稳定性好等特点,近年来受到了更多研究者的青睐。尽管相变光存储器发展很快,但由于光存储技术中的相变过程具有超快性,其持续时间在皮秒-纳秒级,很难直接捕捉到相变的详细过程,人们对相变材料相变机理的认识仍很模糊,实验数据较缺乏,且与理论计算结果不统一。因此对Ge2Sb2Te5材料更深入的研究不仅对揭示相变的真实过程有帮助,更能帮助人们了解超快速相变的机理,具有重要的意义。本论文采用磁控溅射法制备Ge2Sb2Te5相变薄膜,首先对使用不同波长的激光诱导Ge2Sb2Te5至结晶态后进行表征,然后通过控制脉冲激光的能量密度,研究脉冲激光诱Ge2Sb2Te5结晶特点,及结晶性能的好坏。重点研究其不同波长的激光在诱导过程中机制是否相同。最后运用ANSYS有限元模拟激光诱导Ge2Sb2Te5相变过程中的热力学过程,结合实验现象,探究晶化机制。  在使用皮秒激光脉冲辐照Si基底α-GST膜的形貌研究的实验中,在相同的激光辐照能量下使用波长为355nm的脉冲时a-GST熔融程度最大,1064nm次之,532nm最小。通过计算得到了三种激光辐照材料的熔化阈值分别为22.3mj/cm2(1064),28mj/cm2(532)及3.5mj/cm2(355)。辐照光斑影响的区域被区分为中心烧蚀区,热影响区,沉积区。对被波长分别为532nm,1064nm的激光诱导的材料的拉曼光谱图进行比较,发现材料已经晶化,并且不同波长的激光诱导形成的晶体结构基本相同。建立了一个三维有限元模型,结果表明,1064nm的激光因为其大光学穿透深度会有更快的升/降温速率。相同能量密度的条件下,532nm波长的激光结晶性更好。1064nm波长激光辐照材料产生更大的熔化区,这两种光束在辐照材料时具有不同的热传导的机制。  在使用不同波长的皮秒激光脉冲辐照α-GST薄膜的结晶性研究实验中,发现波长为532nm的光束结晶性能更好,两种超短脉冲激光辐照材料后形成的都是FCC结构。建立了一个三维有限元模型,结果表明,同时在355nm波长的诱导过程中距离中心点10微米的位置在加热过程快结束时会有一个能量的快速升高,这也是355nm激光诱导非晶GST晶化过程中会形成比较大尺寸的晶粒的根本原因。波长为532nm的激光辐照材料能带来更充分稳定的温度场,更有利于结晶行为。结合实验与模拟,推测了355nm的激光诱导晶化的过程中可能的行为。  通过研究不同条件下脉冲激光诱导Ge2Sb2Te5的结晶特点,结合有限元模拟激光诱导Ge2Sb2Te5热力学的计算结果,分析了不同波长脉冲激光诱导Ge2Sb2Te5晶化的演化过程。这对于相变存储器的进一步优化与开发具有深刻的意义。
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