روش ساخت مواد با قابلیت تغییر فاز بسیار سریع و مقاوم برای ساخت مواد حافظه (مموری)
Recipe for ultrafast and persistent phase-change memory materials
مموری های دسترسی اتفاقی با قابلیت تغییر فاز (PCRAM) که تجاری شده اند می توانند اطلاعات دیجیتال را در فازهای کریستالی و آمورف مواد کالکوژنید با قابلیت تغییر فاز (PCMها)، مانند Ge2Sb2Te2، ذخیره کنند. سوئیچ برگشت پذیر بین این دو فاز در ترکیب Ge2Sb2Te2 در ادوات PCRAM غالبا از طریق پالس الکتریکی (گرما) به مدت ده ها نانوثانیه، انجام می شود. اطلاعات ذخیره شده را می توان برای ده ها سال در دمای محیط به راحتی ذخیره کرد. این ویژگی های سریع و پایا، و همچنین قابلیت تولید در مقیاس بالا، مصرف پایین انرژی، و پایداری بالای چرخه های مصرف موجب شده است که PCRAM بهترین گزینه برای نوآوری در سیستم های فعلی محاسباتی باشند که مبتنی بر ساختار نویمان هستند. از سال 2015 تا کنون، چیپ های Optane DC اینتل و X100 NVMe میکرون، که هردو از فناوری 3D Xpoint PCRAM استفاده می کنند، به عنوان مموری ذخیره سازی برای جلوگیری از ایجاد شکاف (دیوار حافظه) بین حافظه دسترسی اتفاقی دینامیک (DRAM) فرار و فلش مموری حالت جامد غیر فرار، به کار رفته اند. با این وجود، جایگزین کردن مموری هایی که به صورت سنتی به کار می روند، مانند مموری دسترسی اتفاقی ایستا و DRAM، غیرممکن تصور شده است؛ چون به سرعت عملیاتی بسیار بالایی نیاز است (کم تر از 1 تا 10 نانوثانیه) و بدون تحقیقات گسترده بر روی مواد نوین، این کار میسر نخواهد شد.
مشکل سرعت پایین در این ادوات از فرایند کریستاله شدن (کریستالیزاسیون) کند در عملیات سوئیچینگ نشأت می گیرد. به طور کلی، تمام فرایند کریستاله شده شامل دو مرحله می شود: هسته سازیی کریستالیت های کوچک و رشد آن ها. توجه داشته باشید که سرعت رشد کریستال در محلول فرا-سرد شدۀ Ge2Sb2Te5 می تواند سریع باشد و در دمای 600 تا 700 کلوین به 0.5 تا 3 متر در ثانیه برسد. در ادوات PCRAM نسبتا کوچک با ابعاد 7.5 x 17 نانومتر مربع، حتی زمانی که Ge2Sb2Te5 غنی از آنتیموان، برای تقویت سرعت رشد به کار می رود، کماکان کوتاه ترین زمان سویچینگ 30 نانوثانیه به طول می انجمامد. این عملکرد با سرعت محدود بیان می کند که علاوه بر ممنتوم رشد از فصل مشترک کریستالی جانبی، وجود تعداد زیادی کریستالیت کوچک در زمینه شیشه ای می تواند مفید باشد، چون این کریستالیت های کوچک به صورت همزمان و سریع رشد می کنند؛ دو فرایندی که موجب می شود کریستاله شدن سریع تر رخ دهد.
به منظور حل مشکلات موجود، در مقاله ای که در مجله NPG Asia Materials (از شاخه های انتشارات Nature) منتشر شده است، محققین آلیاژ Sc0.2Sb2Te3 را طراحی کرده اند که عملکرد عالی آن در ادوات PCRAM نیز اثبات رسید و از این طریق سرعت سوئیچ کردن تقریبا 0.7 نانوثانیه حاصل شده است و قابلیت حفظ اطلاعات نیز قابل قیاس با Ge2Sb2Te5 با هندسه مشابه، بوده است. پیوندهای قوی Sc-Te به صورت کارآمد پایداری جوانه های هسته زایی را تقویت می کنند و موجب می شود که طول عمر در برابر تغییرات حرارتی افزایش یابد. علاوه بر آن، جوانه های Sc-Te از نظر هندسی سازگار با بخش های کریستالی هستند که موجب می شود انرژی آزاد سطحی کاهش یابد. در نتیجه سد انرژی برای هسته زایی به شدت کاهش می یابد. همچنین مشخص شد که افزودن استرانسیم می تواند در یک محدود باریک دمایی، کنتراست سینتیک بالایی در حالت محلول ابر-سرد شده ایجاد کند؛ در نتیجه، تحرک اتمی بالایی در دمای بالا در هنگام رشد سریع کریستال فراهم می شود و نفوذ اتمی در نزدیکی دمای اتاق، متوقف می گردد و در نتیجه داده ها به صورت بهتری حفظ می شوند.
خواص الکترونی مواد، در کنار خواص فیزیکی و خواص مکانیکی مواد، یکی از ارکان اصلی مطالعه و توسعه مواد نوین محسوب می شود. در این پژوهش، جنبه های مختلف مهندسی و علم مواد به کار رفته است تا سینتیک کریستالیزاسیون آلیاژ بهینه گردد و از این طریق ادوات الکترونیکی کارآمد ساخته شده اند. زمینه نانوالکترونیک و صنعت الکترونیک بسیار متاثر از پژوهش های جدید بر روی توسعه مواد هستند و می توان با بهره بردن از اصول آلیاژسازی، انجماد و سینتیک مواد، به پیشرفت های چشمگیری در این زمینه دست یافت.
