ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100
Талызин Игорь Владимирович – канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник Управления научных исследований
Zhelyabova, 33, Tver, 170100
Igor V. Talyzin: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Scientific Researcher
ул. Желябова, д. 33, Тверь, 170100
Самсонов Владимир Михайлович — доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры общей физики
Zhelyabova, 33, Tver, 170100
Vladimir M. Samsonov: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor
Память, связанная с изменением фазового состояния (phase–change memory), основана на изменении оптических, электрических или иных свойств вещества при фазовом переходе, например переходе из аморфного состояния в кристаллическое. На сегодняшний день уже реализованные и потенциальные применения такой памяти связаны в первую очередь с использованием многокомпонентных сплавов на основе химических элементов, относящихся к металлам и полупроводникам. Однако однокомпонентные наночастицы, включая наночастицы Si, также представляют интерес в качестве перспективных наноразмерных элементов памяти. В частности, возможность создания таких элементов памяти подтверждается тем, что у объемной фазы аморфного кремния значение коэффициента оптического поглощения на порядок больше, чем у кристаллического. Разумеется, этот эффект затруднительно реализовать для отдельной наночастицы, размер которой не превышает длину волны света. В данной работе с использованием молекулярной динамики (МД) и потенциала Стиллинджера—Вебера исследованы закономерности плавления и условия кристаллизации наночастиц кремния, содержащих до 105 атомов. Показано, что при охлаждении нанокапель кремния со скоростью 0,2 ТК/с и выше имеет место их переход в аморфное состояние, тогда как однокомпонентные металлические нанокапли кристаллизуются в МД-экспериментах даже при скоростях охлаждения 1 ТК/с. При последующем нагреве аморфных наночастиц кремния, содержащих более 5 ∙ 104 атомов, происходит их кристаллизация в определенном температурном интервале от 1300 до 1400 К. Сделан вывод о принципиальной возможности создания элементов памяти, основанных на данных фазовых переходах. Переход наночастицы в аморфное состояние достигается путем ее плавления и последующего охлаждения до комнатной температуры со скоростью 0,2 ТК/с, а переключение в кристаллическое состояние — путем ее нагрева до 1300—1400 К со скоростью 0,2 ТК/с и последующего охлаждения. На основе результатов МД-экспериментов сделан вывод о существовании минимального размера наночастиц кремния, ниже которого при заданной скорости изменения температуры создание элементов памяти, основанных на изменении фазового состояния, становится принципиально невозможным. Установлено, что для скорости изменения температуры 0,2 ТК/с такой минимальный размер составляет 12,4 нм (число атомов — порядка 5 ∙ 104 атомов).
Phase-change memory is based on a change in the optical, electrical, or other properties of a substance during a phase transition, for example, transition from the amorphous to the crystalline state. Already realized and potential applications of such memory are associated with the use for this purpose of multicomponent alloys based on metals, semiconductors. However, single-component nanoparticles, including Si ones, are also of interest in view of the prospects for their use as nanoscale memory units. In particular, possibility of creating such memory units is confirmed by the fact that the bulk phase of the amorphous silicon has an optical absorption coefficient which is by an order of magnitude greater than that of the crystalline, although, it is difficult to release this effect for an individual nanoparticle whose size does not exceed the wavelength of light. In this work, using molecular dynamics (MD) and the Stillinger-Weber potential, we studied the laws of melting and conditions of crystallization for silicon nanoparticles containing up to 100,000 atoms. It has been shown that upon cooling a silicon nanodroplet at a rate of 0.2 TK/s and higher rates, its transition into the amorphous state takes place, whereas single-component metal nanodroplets crystallize even at cooling rates of 1 TK/s. Upon subsequent heating of amorphous silicon nanoparticles containing more than 50,000 atoms, they crystallize in the definite temperature range 1300—1400 K. It is concluded that it is principally possible to create memory units based on the above phase transitions. The transition of a nanoparticle to the amorphous state is achieved by its melting and subsequent cooling to the room temperature at a rate of 0.2 TK/s, and switching to the crystalline state is achieved by heating it to 1300—1400 K at a rate of 0.2 TK/s and subsequent cooling. On the basis of results of MD experiments, a conclusion is made that there exist a minimal size of silicon nanoparticles, for which producing memory units based on the change of the phase state, is not possible. It was found that for the temperature change rate of 0.2 TK/s, the minimal size in question 12.4 nm that corresponds to 50,000 atoms.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.