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独特晶-晶界面控制诱导结晶机制与元素成像研究
作者: irglass 时间: 2018-11-05 浏览:1,293 次

     近日,我室王国祥博士与德国莱布尼茨表面改性研究所Andriy Lotnyk博士合作在纳米复合相变材料微结构与可控晶化机理方面获得了最新研究进展,论文题目为:Unique interface-driven crystallization mechanism and element-resolved structure imaging of ZnO-Ge2Sb2Te5 nanocomposites。相关研究工作已发表在Ceramics International, 44 (2018) 22497-22503. (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.09.020).

    新一代纳米复合相变薄膜利用介质材料与相变材料在纳米尺度下复合,表现出更高结晶温度和良好的非晶热稳定性。且热处理后能有效抑制面心立方(FCC)相向六方密堆结构(HEX)呈现一步析晶过程,但复合后微观结构形貌与真实的元素分布情况仍需要进一步观测且相变机理有待研究。我室王博士利用先进扫描透射电子显微镜(STEM)实验观测纳米复合薄膜上晶粒在非晶基质中扩散行为,直观获取构建纳米复合结构(氧化物颗粒与相变晶粒相互包裹形成嵌套网络)。纳米复合ZnO-Ge2Sb2Te5薄膜经过适当温度热处理后析出亚稳FCC相,其在热诱导下会出现GST纳米晶被ZnO颗粒均匀包裹现象,形成纳米复合结构(图1)。研究发现ZnO/GST晶-晶界面的形成产生了特殊界面能和不均匀的应力分布,增加了薄膜的结晶温度和电阻率比,加速结晶,限制了GST纳米晶生长并逐渐细化。且根据结晶动力学分析,该复合薄膜表现出界面控制的一维生长模式(图2)。最后,我们建立基于非晶相、晶相和氧化物之间相互作用的异质材料结晶模型如图3,解释复合界面诱导结晶机制从成核型向生长型转变,生长模式向三维、二维和一维改变,从而掌握以界面诱导控制薄膜析晶的结晶机制,为优化异质纳米复合结构材料在相变存储器中应用提供了新实验数据和研究思路。

图1. (a) 350 °C 退火的 (ZnO)20.1(GST)79.9薄膜的 HAADF-STEM图. (b)为(a)中选中的蓝色框. 其对应的元素分布情况详见(c) Zn, (d) O, (e) Sb, (f) Ge, and (g) Te.

图2 Avrami生长指数与温度的依赖关系

图3 纳米复合薄膜的晶-晶界面诱导结晶模型