КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-49-00103
НазваниеМногофакторный прецизионный контроль структуры пленок фазопеременных халькогенидов для нейроморфных систем и приборов на их основе
Руководитель Колобов Александр Владимирович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена" , г Санкт-Петербург
Конкурс №99 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые слова халькогениды, фазопеременные материалы, нейроморфные системы, многоуровневая запись информации, фемтосекундные импульсы, структура, структурная модификация, дрейф. первопринципные расчеты
Код ГРНТИ47.09.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
В результате выполнения работ по проекту будет установлено влияние механизма кристаллизации (с ограничениями по скоростям зародышеобразования и роста кристаллов) на устойчивость многоуровневых состояний и осуществлен выбор перспективных составов для дальнейших экспериментальных исследований, а также получены высококачественные пленки PCM материалов с различными характеристиками кристаллизации и проведена их характеризация. С применением установок класса “Мегасайенс”, высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии и сопряженными с ней методами будут выявлены термодинамические и кинетические процессы многоуровневого структурного изменения PCM пленок в разных временных масштабах, получен механизм многоуровневого обратимого структурного преобразования PCM с различным типом кристаллизации и установлены правила проектирования и отбора материалов для многоуровневых элементов.
Выполнение запланированных теоретических и экспериментальных исследований приведёт к существенному расширению фундаментальных знаний о процессах, инициируемых в РСМ материалах в результате ультрокороткого лазерного воздействия. В ходе проекта будет выявлено влияниe плотности мощности/длительности лазерного импульса на морфологию различных PCM пленок и протекающие в них структурные изменения, а также определены предельные временные характеристики переключения исследуемых материалов фазовой памяти.
Основным результатом работы станут разработанные подходы к многофакторному прецизионному контролю структуры халькогенидных тонких пленок для полностью оптических и электрических нейроморфных приложений. При этом несомненной практической значимостью будут обладать результаты апробации разработанных походов в электрических и оптических многоуровневых элементах. Первым типом элементов будут являться Т-образные электрические PCM структуры, которые в результате оптимизации состава и режимов работы должны будут обеспечить достижение следующих рабочих параметров: переключение между не менее чем 6 логическими состояниями; контраст сопротивления более 10000, длительность переключающего импульса менее 6 нс, энергопотребление при переключении менее 0,05 нДж, коэффициент дрейфа сопротивления менее 0,02. Вторым типом элементов будут являться изготовленые реконфигурируемые оптические структуры на основе исследуемых PCM материалов, обеспечивающие многоуровневую модуляцию оптических параметров между 6 различными логическими состояниями, инициируемую импульсами с длительностью менее 15 нс и плотностью энергии менее 20 мДж/см2.
Таким образом, полученные в ходе выполнения проекта результаты, в том числе выявленные факторы, влияющие на стабильность структуры тонкопленочных элементов на основе фазопеременных материалов, и определенные подходы прецизионного контроля структуры фазопеременных халькогенидных тонких пленок с целью обеспечения переходов между промежуточными состояниями, будут способствовать разработке новых сверхбыстродействующих электрических и оптических многоуровневых элементов, что внесет весомый вклад в активно развивающиеся направления создания нейроморфных вычислительных систем.
Все полученные результаты будут соответствовать результатам мирового уровня и послужат материалом для опубликования не менее 10 печатных работ в научных журналах, индексируемых в WoS/Scopus, среди которых планируется опубликовать 5 статей в изданиях, входящих в первый квартиль (Q1).
Получение результатов мирового уровня будет обеспечено за счет применения современных расчетных кодов, доступных научному коллективу, в сочетании с высокоточным современным технологическим и аналитическим оборудованием; благодаря имеющемуся у научного коллектива многолетнего опыту проведения исследований различной сложности в областях компьютерного и экспериментального материаловедения, разработки и создания устройств наноэлектроники; за счет задействования возможностей центров коллективного пользования и лаборатории компьютерного материаловедения института физики РГПУ им. А.И. Герцена, трех центров коллективного пользования, входящих в состав МИЭТ, возможностей лаборатории координационных полиядерных соединений и ЦКП ФМИ (ИОНХ РАН), ИПЛИТ – Шатура Курчатовского комплекса Кристаллографии и фотоники (НИЦ «Курчатовский институт»), а также оборудования East China Normal University.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Путем расчетов из первых принципов получены электронные струртуры в процессе кристаллизации фазопеременного Sb2Te3. Проведены расчеты структуры и электронной структуры классического фазопеременного материала Ag4In3Sb67Te26 (AIST) в кристаллическом и аморфном состояниях. Проведено сравнение изменения оптических параметров Ge2Sb2Te5 (GST) и Ag4In3Sb67Te26 в процессе кристаллизации.
Методом теории функционала плотности, зависящего от времени в реальном времени (rt-TDDFT) промоделирована динамики фотоиндуцированной аморфизации в интерфейсных фазопеременных материалах, обнаруживающих повышенные характеристики по сравнению со сплавными материалами. Определены скорости аморфизации и температуры, при которых начинается аморфизация. Исследованы процессы, происходящие в области щели ван-дер-Ваальса. Проанализированы плотности состояний и эволюция их заселенности при фотовозбуждении путем анализа заселенности кристаллических орбиталей Гамильтона (COHP) и определена роль умножения носителей в процессе аморфизации путем анализа динамики термализации электронов с распределением Ферми-Дирака для возбужденных носителей. Разработана теоретическая модель, описывающая динамическое взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с фазопеременными материалами на примере аморфного Ge2Sb2Te5.
Определены оптимальные параметры технологического процесса и сформированы тонкие пленки фазопеременных материалов двух классов: Ge2Sb2Te5 и Ag4In3Sb67Te26 толщиной от 30 до 150 нм. Изучена морфологии поверхности полученных пленок, определен их элементный состав методами энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и Оже-спектроскопии. Показано, что отклонение концентрации элементов в формируемых пленках относительно необходимых значений не превышает 2,8 ат.%.
Изучены in-situ процессы кристаллизации фазопеременных пленок разного состава. В частности, проведено параллельное исследование процесса кристаллизации аморфных пленок GeTe методом рентгеновской дифракции и спектроскопии комбинационного рассеяния. Для пленок состава Ge2Sb2Te5 выполнено комплексное исследование процесса кристаллизации методом рамановской спектроскопии и выявлением корреляций между изменениями электрических свойств и изменениями рамановских спектров. Установлено, что структурные превращения в аморфной пленке начинаются при температурах ниже начала процесса кристаллизации, регистрируемого по изменению сопротивления. На основе анализа температурных зависимостей удельного сопротивления в сочетании с параметрами разложения рамановских спектров предложена атомарная модель локальных структурных изменений.
Измерены показатель преломления n и коэффициент экстинкции k пленок GST и AIST в спектральном диапазоне от 380 нм до 1000 нм в зависимости от температуры от комнатной до температуры кристаллизации. Исследована их термическая стабильность (выполнено от 8 до 12 циклов нагрева и охлаждения). Показано, что наиболее существенное различие в значениях удельного сопротивления на участках нагрева и охлаждения наблюдается на 1 цикле, что может быть связано с релаксационными процессами при первичном нагреве.
Продемонстрирован стохастический режим работы фотонного элемента с тонкой пленкой GeTe, нанесенной на волновод из нитрида кремния. Такое поведение, выходящее за рамки классической бинарной логики, открывает путь к созданию компактных источников энтропии и стохастических нейронов непосредственно в интегральных фотонных схемах.
По материалам работы принята к опубликованию статья в Письмах в ЖЭТФ.
С целью овышения термической стабильности исследовано влияние легирования фазопеременных GST и Sb2Te3 индием. Показано, что добавки индия приводят к повышению термической стабтльности. Так, при лелированн индием GST температура кристаллизации повышалась от 180 °С до 310 °С. Процесс кристаллизации легированных материалов исследован in-situ на электронном микроскопе высокого разрешения (совместно с китайскими партнерами), путем элементрого картирования проведено определение локализации атомов индия. Легирование Sb2Te3 индием было также изучено путем первопринципных расчетов. Полученные результаты простимулировали аналогичные исследования на гетероструктурах In2Te3/Sb2Te3 (GST), в которых также наблюдалось существенное увеливение температурной стабильности. Было обнаружено существенное уменьшение параметра дрейфа в гетероструктуре [(GST)10nm/(In2Te3)10nm]5 по сравнению с чистым GST.
В рамках проекта проведено сравнение одного из наиболее перспективных материалов - GeSe, - использованного в приборной структуре биполярного порогового переключателя в виде свежеосажденной и ре-аморфизованной пленки. Обнаружена существенно более высокая стабильность приборов с рекристаллизированным GeSe, однако при этом ухудшилось окно памяти - разница в значениях напряжения переключения при разных полярностях напряжения. Для выяснения механизма этого эффекта структура пленок была исследована методом дифракции электронов при ангстремном размере электронного пучка (этот метод позволяет наблюдать упорядоченность структуры ближнего порядка в аморфных материалах), а также спектроскопия комбинационного рассеяния и пропускающая электронная микроскопия высокого разрешения.
Изучена возможность использования перестраиваемой структуры фазопеременных халькогенидов в качестве управляющего элемента в различных мнокогомпонентных структурах. В частности продемонстрировано универсальное формирование волнового фронта спонтанного излучения с использованием интегрированной платформы GeSbTe-перовскит, а также использование фазопеременного GST для реализации полностью оптически переключаемой платформы для светодиодов на основе фазопеременного материала GST. Результаты будут опубликованы в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, Q1 (принята к печати)
По итогам первого года опубликовано (принято к печати) три статьи, одна из которых в журнале Q1, еще три статьи подкотовлены к печети. Сделано 14 докладов на 7 российских и международных конференциях.
Публикации
1. Пестова В., Горошко Д., Ромашкин А., Якубов А., Кицюк Е., Козюхин С., Шерченков., Колобов А., Лазаренко П. A combined Raman scattering and resistivity study of the crystallization process of Ge2Sb2Te5 Abstracts of the 37th Symposium on Phase Change Oriented Science PCOS 2025, Abstracts of the 37th Symposium on Phase Change Oriented Science PCOS 2025, c. 12. (год публикации - 2025)
2. Колобов А.В. Photostructural changes in functional chalcogenides: from phenomenology to nanoscale mechanisms Fundamentals of Laser-Assisted micro and Nanotechnologies. Abstracts, FLAMN-2025, book of abstracts, c. 27. (год публикации - 2025)
3. Гавриков А.А., Кузнецов В.Г., Колобов А.В. Теоретическое исследование свойств аморфных фаз Ge2Sb2Te5, приготовленных in silico при различных скоростях закалки Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)", Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)", с. 45-46. (год публикации - 2025)
4. Колобов А.В., Лазаренко П.И. Халькогенидные стеклообразные полупроводники в устройствах памяти и обработки информации Физика и техника полупроводников (год публикации - 2025)
5. Колобов А.В. GeTe: многофункциональный “простой” материал Сборник тезисов XIX Межгосударственной конференции “Термоэлектрики и их применения” (ISCTA 2025) 25–28 августа 2025, Санкт-Петербург, Россия, Сборник тезисов XIX Межгосударственной конференции “Термоэлектрики и их применения” (ISCTA 2025), с. 44. (год публикации - 2025)
6. Невзоров А., Голиков А., Гнеушев Д., Бурцев А., Михалевскй В., Киселев А., Ионин В., Елисеев Н., Светухин В., Лазаренко П., Ковалюк В., Лотин А., Колобов А., Голтсман Г. Non-volatile stochastic element with memory based on chalcogenide material Письма в ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ, номер 123, выпуск 3 (год публикации - 2026)
7. Лазаренко П.И. Фазопеременные материалы: особенности получения, исследования и применения LXX International scientific-practical conference "Advances in science and technology", LXX International scientific-practical conference "Advances in science and technology", collected papers, c. 118. (год публикации - 2025)
8. Федянина М.Е., Пестова В.Б., Сагунова И.В., Шерченков А.А. Исследование стабильности оптических свойств тонких пленок Ge2Sb2Te5 Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)"., Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14) : материалы XIV Международной конференции (Санкт-Петербург, 30 июня - 3 июля 2025 г.) : сборник трудов : в 2 частях / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский университет "МИЭТ" [и др.]. - Москва : МИЭТ, 2025. - Загл. обл. : XIV International conference "Amorphous and microcrystalline semiconductors", 30 june - 3 july, 2025, Saint Petersburg. - ISBN 978-5-7256-1063-5. Ч. 2. - 2025. - 147 с. - Библиогр. в конце ст. - 150 экз. - ISBN 978-5-7256-1065-9 (год публикации - 2025)
9. Козюхин С.А. Лазерная модификация фазопеременных материалов Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)"., Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14) : материалы XIV Международной конференции (Санкт-Петербург, 30 июня - 3 июля 2025 г.) : сборник трудов : в 2 частях / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский университет "МИЭТ" [и др.]. - Москва : МИЭТ, 2025. - Загл. обл. : XIV International conference "Amorphous and microcrystalline semiconductors", 30 june - 3 july, 2025, Saint Petersburg. - ISBN 978-5-7256-1063-5. Ч. 1. - 2025. - 139 с. : ил. - Библиогр. в конце ст. - 150 экз. - ISBN 978-5-7256-1064-2 (год публикации - 2025)
10. Лотин А.А., Бурцев А.А., Киселев А.В., Михалевский В.А., Ионин В.В., Невзоров А.А., Елисеев Н.Н. Особенности изменения свойств тонких пленок и наночастиц фазоизменяемых материалов Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)"., Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14) : материалы XIV Международной конференции (Санкт-Петербург, 30 июня - 3 июля 2025 г.) : сборник трудов : в 2 частях / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский университет "МИЭТ" [и др.]. - Москва : МИЭТ, 2025. - Загл. обл. : XIV International conference "Amorphous and microcrystalline semiconductors", 30 june - 3 july, 2025, Saint Petersburg. - ISBN 978-5-7256-1063-5. Ч. 1. - 2025. - 139 с. : ил. - Библиогр. в конце ст. - 150 экз. - ISBN 978-5-7256-1064-2 (год публикации - 2025)
11. Лазаренко П.И., Ковалюк В.В., Синельник А.Д., Кицюк Е.П., Смаев М.П., Такатс В., Колобов А.В., Светухин В.В., Шерченков А.А., Козюхин С.А. Фазопеременные материалы: особенности получения, исследования и применения Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)"., Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14) : материалы XIV Международной конференции (Санкт-Петербург, 30 июня - 3 июля 2025 г.) : сборник трудов : в 2 частях / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский университет "МИЭТ" [и др.]. - Москва : МИЭТ, 2025. - Загл. обл. : XIV International conference "Amorphous and microcrystalline semiconductors", 30 june - 3 july, 2025, Saint Petersburg. - ISBN 978-5-7256-1063-5. Ч. 1. - 2025. - 139 с. : ил. - Библиогр. в конце ст. - 150 экз. - ISBN 978-5-7256-1064-2 (год публикации - 2025)
12. Гнеушев Д.А., Якубов А.О., Федянина М.Е., Бабич А.В., Рязанов Р.М., Сагунова И.В., Колобов А.В., Лазаренко П.И. Исследование температурных зависимостей электрофизических и термических свойств тонких пленок Ag4In3Sb67Te26 Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)"., Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14) : материалы XIV Международной конференции (Санкт-Петербург, 30 июня - 3 июля 2025 г.) : сборник трудов : в 2 частях / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский университет "МИЭТ" [и др.]. - Москва : МИЭТ, 2025. - Загл. обл. : XIV International conference "Amorphous and microcrystalline semiconductors", 30 june - 3 july, 2025, Saint Petersburg. - ISBN 978-5-7256-1063-5. Ч. 1. - 2025. - 139 с. : ил. - Библиогр. в конце ст. - 150 экз. - ISBN 978-5-7256-1064-2 (год публикации - 2025)
13. Колобов А.В. Халькогенидная наноэлектроника Сборник тезисов XXIV Всероссийской конференции "Проблемы физики твёрдого тела и высоких давлений"., Сборник тезисов XXIV Всероссийской конференции "Проблемы физики твёрдого тела и высоких давлений", с. 79-80. (год публикации - 2025)
14. Федянина М.Е. Исследование стабильности оптических свойств тонких пленок Ge2Sb2Te5 Сборник статей LXX международной научно-практической конференции "Advances in Science and Technology", Сборник статей LXX международной научно-практической конференции "Advances in Science and Technology", с. 114-115. (год публикации - 2025)
15. Колобов А.В. Компьютерное материаловедение в науке и образовании Физика в системе современного образования (ФССО-2025) : Материалы XVIII Международной конференции., Физика в системе современного образования (ФССО-2025) : Материалы XVIII Международной конференции / под ред. Ларченковой Л. А. — Санкт-Петербург, 23-26 июня 2025 г. — Санкт- Петербург : Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2025 (год публикации - 2025)
16. Кушченко О., Бодиаго Е., Литвинов Д., Лазаренко П., Козюхин С., Рыбин М., Гетс Д., Синелник А. All-Optically Switchable Platform Based on Phase Change Material for Light Emitting Device ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2025)
17. Колобов А.В. Amorphous chalcogenides: from passive optical elements to neuromorphic applications Материалы XIV Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14)"., Аморфные и микрокристаллические полупроводники (AMS14) : материалы XIV Международной конференции (Санкт-Петербург, 30 июня - 3 июля 2025 г.) : сборник трудов : в 2 частях / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский университет "МИЭТ" [и др.]. - Москва : МИЭТ, 2025. - Загл. обл. : XIV International conference "Amorphous and microcrystalline semiconductors", 30 june - 3 july, 2025, Saint Petersburg. - ISBN 978-5-7256-1063-5. Ч. 2. - 2025. - 147 с. - Библиогр. в конце ст. - 150 экз. - ISBN 978-5-7256-1065-9 (год публикации - 2025)