О перспективе создания элементов памяти на основе наночастиц кремния

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).

молекулярная динамика, потенциал Стиллинджера-Вебера, наночастицы кремния, элементы памяти на основе фазового перехода

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

2. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2007. 848 с.

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

4. 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

5. Fons P., Osawa H., Kolobov A. V., Fukaya T., Suzuki M., Uruga T., Kawamura N., Tanida H., Tominaga J. Photoassisted amorphization of the phase-change memory alloy Ge2Sb2Te5 // Phys. Rev. B. 2010. V. 82, Iss. 4. P. 041203. DOI: 10.1103/physrevb.82.041203

6. Makino K., Tominaga J., Hase M. Ultrafast optical manipulation of atomic arrangements in chalcogenide alloy memory materials // Optics Express. 2011. V. 19, Iss. 2. P. 1260—1270. DOI: 10.1364/oe.19.001260

7. 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

8. 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

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. B. 2010. V. 81, Iss. 8. 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: межвуз. сб. науч. тр. 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 // Письма о материалах. 2019. Т. 9, № 4. С. 382—385. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-4-382-385

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. Feynman R. P. There’s plenty of room at the bottom // Engineering and Science. 1960. V. 23, N 5. P. 22—36. DOI: 10.1007/s12045-011-0109-x

19. Герасименко Н. Н., Пархоменко Ю. Н. Кремний — материал наноэлектроники. М.: Техносфера, 2007. 352 c.

20. Грибов Б. Г., Зиновьев К. В., Калашник О. Н., Герасименко Н. Н., Смирнов Д. И., Суханов В. Н., Кононов Н. Н., Дорофеев С. Г. Получение наночастиц кремния для использования в солнечных элементах // Известия вузов. Электроника. 2016. Т. 21, № 4. С. 316—324.

21. Hofmeister H., Dutta J., Hofmann H. Atomic structure of amorphous nanosized silicon powders upon thermal treatment // Phys. Rev. B. V. 54, N 4, P.2856—2862. DOI:10.1103/physrevb.54.2856

22. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. URL: http://lammps.sandia.gov/

23. 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

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

25. Физические величины: справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с

26. 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. 563—569.

27. Самсонов В. М., Васильев С. А., Талызин И. В., Рыжков Ю. А. О причинах гистерезиса плавления и кристаллизации наночастиц // Письма в ЖЭТФ. 2016. Т. 103, № 2. С. 100—105. DOI: 10.7868/S0370274X16020041

28. 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

29. Veprek S., Iqbal Z., Sarott F. A. A thermodynamic criterion of the crystalline-to-amorphous transition in silicon // Philosophical Magazine B. 1982. V. 45. P. 137—145. DOI: 10.1080/13642818208246392

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

31. 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.

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

33. 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.