Exponentiell sönderfall av ISF och a-relaxationstiden ta för flytande Ge1Sb2Te4 över Tm. (A) Förfallet av ISF S (q, t) vätska Ge1Sb2Te4 vid strukturfaktorn första max q0 =2,0 Å − 1 mätt vid temperaturer över Tm =903 K. Data, typiskt för system med hög fluiditet, passar bäst med enkla exponentiella funktioner (heldragna linjer), var och en ger en enda avkopplingstid ta (se huvudtexten för detaljer). Observera att på mycket kort tid ( <0,65 ps), datapunkterna motsvarar fononer och snabba processer som inte uttryckligen tas med i beräkningen. Detta överensstämmer med analysen av den dynamiska strukturfaktorn S (q, w) i energioverföringsdomänen (ħw) (se fig. S1), där S (q, w) beskrivs bäst av en enda Lorentzian -form. (B) Arrhenius-tomt för a-avkopplingstiden ta ovanför Tm. Kreditera: Vetenskapliga framsteg (2018). http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaat8632
Ett team av forskare från Arizona State University School of Molecular Sciences och Tyskland har publicerat i Vetenskapliga framsteg online idag en förklaring av hur ett visst fasbytesminne (PCM) -material kan fungera tusen gånger snabbare än nuvarande flashminne, samtidigt som det är betydligt mer hållbart med avseende på antalet dagliga läs-skrivningar.
PCM är en form av datorns slumpmässigt åtkomstminne (RAM) som lagrar data genom att ändra tillståndet för "bitarna", (varav miljoner utgör enheten) mellan vätska, glas- och kristalltillstånd. PCM -teknik har potential att ge billiga, hög hastighet, hög densitet, hög volym, icke flyktig lagring i en aldrig tidigare skådad skala.
Grundidén och materialet uppfanns av Stanford Ovshinsky, länge sedan, år 1975, men applikationer har dröjt på grund av bristande klarhet om hur materialet kan utföra fasändringarna på så korta tidsskalor och tekniska problem relaterade till att styra förändringarna med nödvändig precision. Nu är högteknologiska företag som Samsung, IBM och Intel kappseglar efter att göra det perfekt.
Det halvmetalliska materialet som pågår är en legering av germanium, antimon och tellur i förhållandet 1:2:4. I detta arbete undersöker teamet den mikroskopiska dynamiken i detta PCM:s flytande tillstånd med hjälp av kvasi-elastisk neutronspridning (QENS) för ledtrådar om vad som kan göra fasändringarna så skarpa och reproducerbara.
På kommando, strukturen för varje mikroskopisk bit av detta PCM -material kan göras för att byta från glas till kristall eller från kristall tillbaka till glas (genom vätskemellanprodukten) på tidsskalan tusendels miljondels sekund bara genom en kontrollerad värme eller ljuspuls, den förra föredras nu. I den amorfa eller störda fasen, materialet har hög elektrisk resistans, "av" -tillståndet; i den kristallina eller ordnade fasen, dess motstånd reduceras 1000 gånger eller mer för att ge "på" -tillståndet.
Dessa element är anordnade i tvådimensionella lager mellan aktiverande elektroder, som kan staplas för att ge en tredimensionell array med särskilt hög aktiv platsdensitet vilket gör det möjligt för PCM -enheten att fungera många gånger snabbare än konventionellt flashminne, samtidigt som du använder mindre ström.
"De amorfa faserna av denna typ av material kan betraktas som" halvmetalliska glasögon ", "förklarar Shuai Wei, som vid den tiden bedrev postdoktoral forskning i SMS Regents professor Austen Angells laboratorium, som mottagare av Humboldt Foundation Fellowship.
"I motsats till strategin inom forskningsområdet" metallglasögon ", där människor har gjort ansträngningar i decennier för att bromsa kristalliseringen för att få glaset i bulk, här vill vi att de halvmetalliska glasen kristalliserar så snabbt som möjligt i vätskan, men för att hålla sig så stabil som möjligt när den är i glasläge. Jag tror att vi nu har en lovande ny förståelse för hur detta uppnås i de PCM som studeras. "
En avvikelse från det förväntade
För över ett sekel sedan, Einstein skrev i sin doktorsexamen tesen att diffusionen av partiklar som genomgår brownisk rörelse skulle kunna förstås om friktionskraften som dämpar rörelsen hos en partikel var den som härleds av Stokes för en rund boll som faller genom en burk honung. Den enkla ekvationen:D (diffusivitet) =kBT/6 ?? r där T är temperaturen, ? är viskositeten och r är partikelradien, innebär att produkten D?/T ska vara konstant när T ändras, och det överraskande är att detta verkar vara sant, inte bara för brownian rörelse, men också för enkla molekylära vätskor vars molekylrörelse är känt för att vara allt annat än en boll som faller genom honung!
"Vi har ingen bra förklaring till varför det fungerar så bra, även i molekylvätskornas mycket viskösa överkylda tillstånd tills glasövergångstemperaturen närmar sig, men vi vet att det finns några intressanta vätskor i vilka det misslyckas illa även över smältpunkten, "konstaterar Angell.
"En av dem är flytande tellur, ett nyckelelement i PCM -materialen. Ett annat är vatten som är känt för sina avvikelser, och en tredje är germanium, en andra av de tre elementen i GST -typen av PCM. Nu lägger vi till en fjärde, själva GST -vätskan .. !!! tack vare de neutronspridningsstudier som föreslagits och genomförts av Shuai Wei och hans tyska kollegor, Zach Evenson (tekniska universitetet i München, Tyskland) och Moritz Stolpe (Saarlands universitet, Tyskland) på prover som framställts av Shuai med hjälp av Pierre Lucas (University of Arizona). "
En annan gemensam egenskap för denna lilla grupp vätskor är förekomsten av en maximal vätsketäthet som är känd för vatten. En täthet maximalt noggrant följt, under kylning, genom en metall-till halvledarövergång ses också i det stabila flytande tillståndet av arsenik tellurid, (As2Te3), som är första kusin till antimon tellurid (Sb2Te3) -komponenten i PCM som alla ligger på "Ovshinsky" -linjen som förbinder antimon tellurid (Sb2Te3) med germanium telluride (GeTe) i trekomponents fasdiagrammet. Kan det vara så att den underliggande fysiken för dessa vätskor har en gemensam grund?
Det är Weis och medförfattares förslag att när germanium, antimon och tellur blandas i förhållandet 1:2:4, (eller andra längs Ovshinskys "magiska" linje) skjuts både densitet maxima och tillhörande metall till icke-metall övergångar under smältpunkten och, samtidigt, övergången blir mycket skarpare än i andra kalkogenidblandningar.
Sedan, som i det mycket studerade fallet med superkyldt vatten, fluktuationerna associerade med responsfunktionen extrema bör ge upphov till extremt snabb kristalliseringskinetik. I samtliga fall, högtemperaturläget (nu metalltillståndet), är tätare.
"Detta skulle förklara mycket, "entusiaster Angell" Ovanför övergången är vätskan mycket flytande och kristalliseringen är extremt snabb, medan under övergången stelnar vätskan snabbt upp och behåller det amorfa, låg konduktivitet ned till rumstemperatur. I nanoskopiska "bitar", den förblir sedan obestämd stabil tills den instrueras av en datorprogrammerad värmepuls att stiga omedelbart till en temperatur där, på en nano-andra tidsskala, det blinkar kristalliserar till ledande tillstånd, tillståndet "på".
Lindsay Greer vid Cambridge University har framfört samma argument när det gäller en "bräcklig till stark" flytande övergång ".
En andra något större värmepuls kan ta "biten" omedelbart över dess smältpunkt och sedan, utan ytterligare värmetillförsel och nära kontakt med ett kallt underlag, den släcker med en hastighet som är tillräcklig för att undvika kristallisation och är instängd i halvledande tillstånd, "av" -läget.
"Den höga upplösningen för neutrons tid för flygspektrometer från Münchens tekniska universitet var nödvändig för att se detaljerna i atomrörelserna. Neutronspridning vid Heinz Maier-Leibnitz Zentrum i Garching är den perfekta metoden för att synliggöra dessa rörelser, "säger Zach Evenson.
