一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法技术

本发明专利技术公开了一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法，属于相变存储技术领域。本发明专利技术采用第一性原理计算，在原子尺度上，从不同角度分析基于元素掺杂含Te相变材料的非晶态模型局部结构和成键性质，实现对不同的掺杂元素及掺杂成分的筛选与优化，从微观层面获得元素掺杂综合提升含Te相变材料的结晶速度、非晶热稳定性和可靠性的物理机理；通过非晶化稳定性提高、结晶速度提升、循环特性提高三个优化目标，每个优化目标综合多个指标对比分析，实现对不同的掺杂元素及掺杂浓度的筛选与优化，为元素掺杂含Te相变材料及器件的研究提供指导方向，从而大大减小实验成本，缩短材料及器件的研制周期，提高研发效率。提高研发效率。提高研发效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法


[0001]本专利技术属于相变存储
，更具体地，涉及一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法。

技术介绍

[0002]相变材料主要为硫系化合物材料，其中又以Ge、Sb、Te三种元素组成的化合物最为常见。相变材料性能的优化是提升相变存储器性能的关键，而相变材料的微观结构决定着其宏观特性。目前，对相变材料的主要性能优化手段是元素掺杂。以第四主族元素掺杂Sb
‑
Te系相变材料为例，掺杂后可以以自身为中心形成四面体结构。非晶状态下，强键合的四面体团簇与晶体的结构(八面体)差异较大，阻碍相变材料的自发结晶，从而提高其稳定性及数据保持能力。然而，上述掺杂提高Sb
‑
Te相变材料非晶稳定性能力的同时，必然降低其结晶速度从而影响存储器件的SET速度。
[0003]因此需要对掺杂元素进行筛选，并对掺杂浓度进行优化，使得掺杂元素在与相变材料基体元素形成强键合作用提升材料热稳定性的同时，在非晶化过程中可以保留基本的环结构,使得原始环数量增加，以提升材料的结晶速度，有望实现高速高可靠性的相变存储器，从而使其能作为商业化的相变存储材料应用。
[0004]目前相关的掺杂材料筛选及掺杂浓度优化的研究一般采用实验完成，不仅成本高，而且研发周期长，不可控因素多。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法，旨在解决现有技术研发周期长、成本高的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法，包括：
[0007]S1.挑选掺杂元素：从元素周期表中选择与Te的电负性差异大于1，作为M元素，进入S2，若所有元素均被筛选过，进入S12；
[0008]S2.构建对照晶态模型和最优晶态模型：1)建立未掺杂的含Te相变材料的晶态模型，作为对照晶态模型；2)针对M原子的不同掺杂位点的情况建立晶态模型，将形成能最低的晶态模型作为最优晶态模型；
[0009]S3.构建对照非晶态模型和最优非晶态模型：1)利用第一性原理对对照晶态模型进行随机化、熔化及淬火过程的模拟仿真，得到对照非晶态模型；2)利用第一性原理对最优晶态模型进行随机化、熔化及淬火过程的模拟仿真，得到最优非晶态模型；
[0010]S4.计算最优晶态模型的电子局域化函数，根据电子局域化函数分布，得到M原子和非Te原子的键合强度，若M原子的键合强度高于非Te原子的键合强度，则进入S5，否则，进入S1；
[0011]S5.计算最优非晶态模型中M
‑
Te化学键的对分布函数，进而确定M原子和非Te原子
的截断半径，作为S6～S7的计算基础；
[0012]S6.分别分析对照非晶态模型和最优非晶态模型中Peierls
‑
like扭曲程度，若最优非晶态模型的Perierls
‑
like扭曲程度强于对照非晶态模型，则标记该M元素符合第一指标，否则，进入S1；
[0013]S7.分别统计对照非晶态模型和最优非晶态模型的环结构分布，若最优非晶态模型的四元环数量高于对照非晶态模型，则进入S8，否则，进入S1；
[0014]S8.基于对照晶态模型，模拟形核过程，计算非Te原子与Te所成化学键的晶格轨道哈密顿量布居数，得到非Te原子与Te所成化学键的成键强度与体系稳定性；同理，得到最优晶态模型中M
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Te成键强度与体系稳定性，若最优晶态模型的体系稳定性高于对照晶态模型，则标记该M元素符合第二指标，否则，进入S1；
[0015]S9.分别统计对照非晶态模型和最优非晶态模型中Te原子的均方位移，若最优非晶态模型中Te原子的均方位移低于对照非晶态模型，则进入S10，否则，进入S1；
[0016]S10.分别计算对照非晶态模型和最优非晶态模型的电子局域化函数，得到孤对电子分布，作为S11的计算基础；
[0017]S11.根据对照非晶态模型和最优非晶态模型孤对电子分布，进一步确定低电子密度分布模型中的空隙占比，若最优非晶态模型中的空隙占比低于对照非晶态模型，则标记该M元素符合第三指标，否则，进入S1；
[0018]S12.同时符合三个指标的所有M元素，均作为最优掺杂元素。
[0019]优选地，所述含Te相变材料为Ge
‑
Sb
‑
Te体系、Sb
‑
Te体系、Ge
‑
Te体系相变材料。
[0020]优选地，步骤S2中，通过静态计算得到M原子不同掺杂位点的体系形成能，从而确定M原子的掺杂类型为替位掺杂、空位掺杂、间隙掺杂中的哪一种。
[0021]优选地，步骤S4中，M原子和非Te原子的键合强度确定方式如下：
[0022]对最优晶态模型进行结构优化和静态自洽运算，得到在指定二维平面上M原子和非Te原子周围的电子局域化函数分布图；
[0023]电子局域化程度越低，原子的失电子能力越强，键合强度越高。
[0024]优选地，步骤S5中，所述截断半径为对分布函数中第一个波谷所对应的值。
[0025]优选地，步骤S6中，间距大于截断半径的原子对之间不成键，计算出模型中所有的键角，筛选其中大于150
°
的键角，对应的两个键长记为r1和r2，然后计算r1与r2关联对的分布函数；
[0026]r1与r2最主要的键长分布对应于峰值，峰值越远离对角线，则表明r1和r2的差值越大，Peierls
‑
like扭曲的程度越大。
[0027]优选地，步骤S7中，间距大于截断半径的原子对之间不成键，统计模型中通过原子成键形成不同种类的环及其数量。
[0028]优选地，步骤S8中，所述成键强度和体系稳定性的确定方式如下：
[0029]对最优晶态模型进行静态自洽计算，输出波函数文件WAVECAR，然后利用LOBSTER软件包进行后处理，从而计算出任意原子对之间的COHP数据；
[0030]‑
COHP小于0的部分表示反键态的贡献，
‑
COHP大于0的部分表示成键态的贡献，费米能级以下的反键态贡献越少，则化学键越稳定以及成键强度越强。
[0031]优选地，步骤S10中，所述孤对电子分布的确定方式如下：
[0032]计算电子局域函数ELF，然后通过设置等值面为0.85来显示孤对电子在模型中的分布。
[0033]优选地，步骤S3中建立非晶态模型时，对相同M元素，建立不同掺杂浓度的M掺杂含Te相变材料的非晶态模型，从而筛选出最优掺杂浓度。
[0034]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0035]本专利技术提供了一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法，采用的第一性原理计算，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于第一性原理的含Te相变材料的掺杂元素筛选方法，其特征在于，包括：S1.挑选掺杂元素：从元素周期表中选择与Te的电负性差异大于1，作为M元素，进入S2，若所有元素均被筛选过，进入S12；S2.构建对照晶态模型和最优晶态模型：1)建立未掺杂的含Te相变材料的晶态模型，作为对照晶态模型；2)针对M原子的不同掺杂位点的情况建立晶态模型，将形成能最低的晶态模型作为最优晶态模型；S3.构建对照非晶态模型和最优非晶态模型：1)利用第一性原理对对照晶态模型进行随机化、熔化及淬火过程的模拟仿真，得到对照非晶态模型；2)利用第一性原理对最优晶态模型进行随机化、熔化及淬火过程的模拟仿真，得到最优非晶态模型；S4.计算最优晶态模型的电子局域化函数，根据电子局域化函数分布，得到M原子和非Te原子的键合强度，若M原子的键合强度高于非Te原子的键合强度，则进入S5，否则，进入S1；S5.计算最优非晶态模型中M
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Te化学键的对分布函数，进而确定M原子和非Te原子的截断半径，作为S6～S7的计算基础；S6.分别分析对照非晶态模型和最优非晶态模型中Peierls
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like扭曲程度，若最优非晶态模型的Perierls
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like扭曲程度强于对照非晶态模型，则标记该M元素符合第一指标，否则，进入S1；S7.分别统计对照非晶态模型和最优非晶态模型的环结构分布，若最优非晶态模型的四元环数量高于对照非晶态模型，则进入S8，否则，进入S1；S8.基于对照晶态模型，模拟形核过程，计算非Te原子与Te所成化学键的晶格轨道哈密顿量布居数，得到非Te原子与Te所成化学键的成键强度与体系稳定性；同理，得到最优晶态模型中M
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Te成键强度与体系稳定性，若最优晶态模型的体系稳定性高于对照晶态模型，则标记该M元素符合第二指标，否则，进入S1；S9.分别统计对照非晶态模型和最优非晶态模型中Te原子的均方位移，若最优非晶态模型中Te原子的均方位移低于对照非晶态模型，则进入S10，否则，进入S1；S10.分别计算对照非晶态模型和最优非晶态模型的电子局域化函数，得到孤对电子分布，作为S11的计算基础；S11.根据对照非晶态模型和最优非晶态模型孤对电子分布，进一步确定低电子密度分布模型中的空隙占比，若最优非晶态模型中的空隙占比低于对照非晶态模型，则标记该M元素符合第三指标，否则，进入S1；S12.同时符合三个指标的所有M...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓敏，赵鹏，曾运韬，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：