О перспективе создания элементов памяти на основе наночастиц кремния


https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-

Аннотация

Память, связанная с изменением фазового состояния (phase-change memory) основывается на изменении оптических, электрических или иных свойств вещества при фазовом переходе, например переходе из аморфного состояния в кристаллическое. Уже реализованные и потенциальные применения такой памяти связаны с использованием с этой целью многокомпонентных сплавов на основе химических элементов, относящихся к металлам и полупроводникам. Однако однокомпонентные наночастицы, включая наночастицы Si, также представляют интерес с точки зрения перспектив их применения в качестве 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, хотя, 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 100000 атомов. Показано, что при охлаждении нанокапель кремния со скоростью 0,2 ТК/с и выше имеет место ее 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 50000 атомов происходит их кристаллизация в определённом температурном интервале от 1300 К до 1400 К. Сделан вывод о принципиальной возможности создания элементов памяти, основывающихся 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 нагрева ее 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, для 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 – около 50000)

Об авторе

Игорь Владимирович Талызин
Тверской государственный университет
Россия
к.ф.-м.н, научный сотрудник Управления научных исследований ТвГУ


Список литературы

1. Ищенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 647 с.

2. Танненбауман. Архитектура компьютера. М.-С.Петербург, 2005. С. 105.

3. Simpson R.E., Fons P., Kolobov A.V., Fukaya T., Krbal M., Yagi T., Tominaga J. Interfacial phase-change memory // Nature Nanotechnology. 2011. V. 6, N 8. P. 501–505. DOI: 10.1038/nnano.2011.96

4. Wuttig M., Yamada N. Phase-change materials for rewriteable data storage // Nature Mater. 2007. V. 6. P. 824–832. DOI: 10.1038/nmat2009

5. Karpov I.V., Mitra M., Kau D., Spadini G., Kryukov Y.A., Karpov V.G. Evidence of field induced nucleation in phase change memory // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 173501. DOI: 10.1063/1.2917583

6. Fons P., Osawa H., Kolobov A.V., Fukaya T., Suzuki M., Uruga T. et al. Photoassisted amorphization of the phase-change memory alloy Ge2Sb2Te5 // Phys. Rev. 2010. B. 82. P. 041203. DOI: 10.1103/physrevb.82.041203

7. Makino K., Tominaga J., Hase M. Ultrafast optical manipulation of atomic arrangements in chalcogenide alloy memory materials // Optics Express. 2011. V. 19. P. 1260–1270. DOI: 10.1364/oe.19.001260

8. Kolobov A.V., Krbal M., Fons P., Tominaga J., Uruga T. Distortion triggered loss of long-range order in solids with bonding energy hierarchy // Nature Chem. 2011. V. 3. P. 311–316. DOI: 10.1038/nchem.1007

9. Shportko K., Kremers S., Woda M., Lencer D., Robertson J., Wuttig M. Resonant bonding in crystalline phase-change materials // Nature Mater. 2008. V. 7. P. 653–658. DOI: 10.1038/nmat2226

10. Huang B., Robertson J. Bonding origin of optical contrast in phase-change memory materials // Phys. Rev. 2010. B 81. P. 081204R. DOI: 10.1103/physrevb.81.081204

11. Lankhorst M., Ketelaars B., Wolters R. Low-cost and nanoscale non-volatile memory concept for future silicon chips // Nature Mater. 2005. V. 4. P. 347–352. DOI: 10.1038/nmat1350

12. Гафнер Ю.Я., Гафнер С.Л., Редель Л.В. Наноструктуры как материал для фазо-инверсной памяти // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2018. Вып. 10. С. 210-218. DOI: 10.26456/pcascnn/2018.10.210

13. Bashkova D.A., Gafner Y.Y., Gafner S.L. On the prospects of using a phase transition in Ag nanoclusters for information recording processes // Letters on Materials. 2019. V. 9, N 4. P. 382-385.

14. Талызин И.В., Самсонов М.В., Васильев С.А., Пушкарь М.Ю., Дронников В.В., Самсонов В.М. Молекулярно-динамическое исследование размерной зависимости температуры плавления наночастиц кремния // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2018. Вып. 10. С. 618-627. DOI: 10.26456/pcascnn/2018.10.618.

15. Талызин И.В., Самсонов В.М., Пушкарь М.Ю., Дронников В.В. Размерная зависимость температуры плавления наночастиц кремния: молекулярно-динамическое и термодинамическое моделирование // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53, Вып. 7. C. 964-970. DOI: 10.21883/FTP.2019.07.47875.8927.

16. Володин В.А., Качко А.С. Кристаллизация пленок аморфного гидрогенизированного кремния с применением фемтосекундных лазерных импульсов // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45, Вып. 2. С. 268-273. URL: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/7353

17. Корчагина Т.Т., Володин В.А., Попов В.А., Хорьков К.С., Герке М.Н. Формирование нанокристаллов кремния в пленке SiNx на лавсане с применением фемтосекундных импульсных обработок // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, Вып. 13. С. 62-69. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/14242

18. http://lammps.sandia.gov/

19. Stillinger F.H., Weber T.A. Computer simulation of local order in condensed phases of silicon // Phys. Rev.B. 1985. V. 31, N 8. P. 5262-5271. DOI: 10.1103/physrevb.31.5262

20. Nose S. A unified formulation of the constant temperature molecular dynamics methods // The Journal of Chemical Physics. 1984. V. 81, Iss. 1. P. 511-519. DOI: 10.1063/1.447334

21. Справочник «Физические величины». М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с

22. Самсонов В.М., Харечкин С.С., Гафнер С.Л., Редель Л.В., Гафнер Ю.Я. Молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации наночастиц // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 3. С. 530-536. DOI: 10.1134/S1063774509030250

23. (Samsonov V.M., Kharechkin S.S., Gafner S.L., Redel’ L.V., Gafner Yu.Ya. Molecular Dynamics Study of the Melting and Crystallization of Nanoparticles. // Crystallography Reports. 2009. V. 54, N 3. P.526-531.

24. Самсонов В.М., Васильев С.А., Талызин И.В., Рыжков Ю.А. О причинах гистерезиса плавления и кристаллизации наночастиц // Письма в ЖЭТФ. 2016. V. 103, N 2. P. 100-105. DOI: 10.7868/S0370274X16020041

25. Самсонов В.М., Талызин И.В., Самсонов М.В. О влиянии скоростей нагрева и охлаждения на плавление и кристаллизацию металлических нанокластеров // Журнал технической физики. 2016. Т. 86, Вып. 6. С. 149-152. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43390

26. Полухин В.А., Ватолин Н.А. Моделирование аморфных металлов.: Наука, 1985. 288 с.

27. Попель С. И., Спиридонов М.А., Жукова Л.А. Атомное упорядочение в расплавленных и аморфных металлах (по данным электронографии). Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 1997. 382 с.

28. Судзуки К., Худзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы / Под ред. Масумото Ц. Пер. с япон. - М.: Металлургия, 1987. 328 с.

29. Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червоный И.Ф., Шварцман Л.Я., Яркин Н.В., Салли И.В. Технология полупроводникового кремния. М.: Металлургия, 1992. 408 с.


Дополнительные файлы

1. рисунок 1 к статье
Тема
Тип Результаты исследования
Посмотреть (636KB)    
Метаданные
2. рисунок 2а к статье
Тема
Тип Результаты исследования
Посмотреть (628KB)    
Метаданные
3. рисунок 2б к статье
Тема
Тип Результаты исследования
Посмотреть (596KB)    
Метаданные
4. рисунок 3 к статье
Тема
Тип Результаты исследования
Посмотреть (886KB)    
Метаданные

Для цитирования: Талызин И.В. О перспективе создания элементов памяти на основе наночастиц кремния. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019;22(2). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-

For citation: . . Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2019;22(2). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-

Просмотров: 13

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)