硫系半导体GeSbTe(GST)合金由于其具有超快且可逆的相变特性，同时伴随相变过程而发生着物理性能的巨大改变，成为了最具应用潜力的相变存储材料。在过去的20多年里，科研工作者们一方面试图采用各种手段（如材料制备和器件设计）来提高材料和存储器件的使用性能，另一方面也专注于材料结构与相变机理的研究，以期解析这一材料神奇性能的源泉，为器件性能的提升及新材料的研发提供理论指导。结构研究是理解物理性能与解析相变机理的关键，然而由于该体系材料结构的多样性与复杂性，迄今人们仍未能给出完整而清晰的结构图像。本论文的目的在于从原子尺度研究GST材料的结构，同时加深对快速相变机理的理解。　　在本论文中，综合运用各种电子显微学实验技术、理论计算模拟和数值与图像处理等技术对GST薄膜材料各不同物相的结构进行了系统的研究。并由此产生了一些创新性的结果，具体如下:　　1.通过球差校正扫描透射成像技术(Cs-STEM)结合超级能谱(Super-EDX)元素分析技术，首次从原子尺度进行了GST立方相的结构与具体原子占位信息的直接观察与研究。证实了GST立方相的类NaC1结构，其中阴离子位置被Te单独占据，而阳离子位置则被Ge和Sb原子随机占据，同时阳离子位置中存在大量的空位。　　2.对不同温度下GST的立方相结构进行研究，揭示了立方相中空位有序化过程与温度的关系，以及立方相的多态结构。在立方相形成初期，结构中空位主要表现为随机分布;而随时效温度和时间的增加，空位将逐步趋向于有序的分布于(111)面内，并形成“空位富集层”。理论研究表明，GST立方相中随着空位分布有序度的提高体系的能量将逐步下降，同时空位的分布形式对材料的物理性能产生了很大影响。依据空位的分布形式，GST立方相至少存在3种典型的多态结构:空位随机分布的立方相，称为初级立方相(primarily cubic phase，PC);空位半有序的立方相(vacancy semi-ordered cubic phase，VSC)以及空位有序的立方相(vacancy ordered cubic phase，VOC)。　　3.通过第一性原理理论计算研究了GST晶体的融化（或非晶化）过程，揭示出晶体中空位及其分布对材料融化过程的影响。此外，对于VOC相结构而言，有望通过控制融化的条件而实现多级非晶化过程，从而获得不同状态的非晶（或非晶/晶体复合）结构。　　4.研究了GST稳定相六方单元片层结构中原子层的堆垛顺序和缺陷等结构信息。a）六方相结构中Ge、Sb随机分布于同一原子层中，这与立方相的情况相似。b）六方相单元片层结构中的原子层数与Ge元素的含量相关。c)GST六方相中常见的层错等缺陷有利调节材料的局域结构，降低了材料结构对成分波动的敏感性。　　5.利用透射电镜原位实验结合电子衍射-径向分布函数方法，研究了GST薄膜材料的热致晶化过程以及结构演变规律，分析了GST不同物相之结构的相似性。通过逆蒙托卡罗模拟，揭示了GST的非晶结构随温度的变化过程以及结构弛豫现象。　　6.基于以上结构研究的结果，对GST合金的快速相变机理进行了探索。发现GST不同物相之间结构的相似性是相变快速完成的基础，同时结构中的本征空位对各阶段的相变过程都起到了关键的作用。