相变存储器介绍教材

相变存储器材料研究1相变存储器介绍相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。

相变存储器有高读写速度、寿命长，存储稳定,、工艺简单，潜力大，所以相变存储器被认为最有可能取代当今主流存储器而成为未来存储器的主流产品。

2相变存储器原理及设备相变存储器利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读取、写入和擦除，工作原理是将数据的写入和读取分为3个过程—分别是“设置（Set）”、“重置（Reset）”和“读取（Read）”。

“Set”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料上,使其温度升高到晶化温度Tx以上、熔点温度Tm以下，相变材料形核并结晶，此时相变材料的电阻较低，代表数据“1”。

“Reset”过程就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到熔点温度Tm以上，随后经过一个快速冷却的淬火过程（降温速率＞109K/s）,相变材料从晶态转变成为非晶态，此时相变材料的电阻很高，代表数据“0”。

“Read”过程则是在器件2端施加低电压，如果存储的数据是“0”，那么器件的电阻较高，因而产生的电流较小，所以系统检测到较小的电流回馈时就判断是数据“0”；如果存储的数据是“1”，那么器件的电阻较低，因而产生的电流较大，所以系统检测到较大的电流回馈时就判断是数据“1”。

图1是相变存储器的工作原理。

图1 相变存储器的工作原理3GST材料相变机理作为相变存储器的存储介质, 相变材料性能的优劣直接关系到器件性能。

相变存储器中最为核心的是以硫系化合物为基础的相变材料。

其中Ge2Sb2Te5(GST) 相变材料是到目前为止使用和研究最广泛的相变材料, 并已经实现了产品应用。

虽然工业界已经将GST作为相变存储器的存储介质实现了产品和应用, 但是对于GST为何在纳秒甚至皮秒量级的时间内实现非晶态和晶态的可逆相变仍然未有统一的结论。

主要原因是非晶态GST中原子排列是无序的,传统晶体学的理论和结构研究方法已不适用,因而对GST的非晶态很难获得一个清晰的认识, 更不能得到可逆相变过程中微观结构的变化。

相变存储器（PCM）技术基础相变存储器（PCM）技术基础类别：存储器相变存储器技术基础相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。

同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。

相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。

本文将介绍相变存储器的基本技术与功能。

发展历史与背景二十世纪五十年代至六十年代，Dr.Stanford 1968年，他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。

1969年，他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。

1970年，他与他的妻子Dr.Iris Intel的Gordon Moore合作的结果。

1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。

近30年后，能量转换装置（ECD）公司与Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。

在2000年2月，Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议，此份协议是现代PCM研究与发展的开端。

2000年12月，STMicroelectronics（ST）也与Ovonyx开始合作。

至2003年，以上三家公司将力量集中，避免重复进行基础的、竞争的研究与发展，避免重复进行延伸领域的研究，以加快此项技术的进展。

2005年，ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图，新公司名为Numonyx。

在1970年第一份产品问世以后的几年中，半导体制作工艺有了很大的进展，这促进了半导体相变存储器的发展。

同时期，相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。

Intel开发的相变存储器使用了硫属化物（Chalcogenides），这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。

Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被称为GST。

1.相变及相变存储的原理：物质在一种相态（或物态，简称相）下拥有单纯的化学组成和物理特质。

相变指一种物质从一种相转变为另一种相的过程，随着物质相的改变，其物理、化学性质也随之改变。

同时相变是由于有序和无序两种倾向的相互竞争，相互作用引起有序，热运动造成无序，不同相态下的同一种物质能量各异，所以相变的过程伴随着能量的改变。

通常气体和液体分别只有一种相即气相、液相。

而对于固体，不同点阵结构的物理性质不同，分属不同的相，因此同一固体可以有不同的相。

如铁有a铁、β铁、γ铁和δ铁4个固相；固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相；碳有金刚石和石墨两相等。

相变材料在不同相下呈现无序和有序两种状态，此时其电阻值有明显差异，所以可以利用这种差异来表示数据存储的“0”和“1”。

在非晶态时材料表现为半导体性，其电阻值高；在晶态时，其电阻值低。

(Crespi L, Ghetti A, Boniardi M, Lacaita A L. Electrical conductivity at melt in phase change memory. Electron Device Letters, IEEE, 2014, 7:747-749.)2.相变存储器的工作原理和特点：相变存储器(PCRAM)是一种新型的非易失性存储器，主要指基于硫系化合物薄膜的随机存储器，利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间的相互转换来实现信息的存储和擦除，通过测量电阻的变化读出信息。

(Wuttig M, Raoux S. The science and technology of phase change materials. 10 DEC 2012, 15: 2455–2465.)因为不同相态下物质所含能量不同，所以从亚稳态的非晶态到稳定状态的晶态的转变是通过在其结晶温度以上对其加热足够长时间使其充分结晶而得到；相反的过程即将晶态结构加热至熔化并使其快速冷却，历经一个快速退火过程凝结而得到。

相变储能分类-概述说明以及解释1.引言1.1 概述相变储能是一种利用物质的相变过程将能量储存和释放的技术。

相变储能利用物质在相变过程中吸热或放热的特性，实现能量的转化和储存。

随着能源需求的不断增长和对环境保护的要求日益严格，相变储能技术的研究和应用引起了广泛关注。

相变储能技术的研究起源于人们对能量转化和储存的需求。

在过去的几十年里，科学家们通过研究不同物质的相变过程，发现了相变储能的潜力并不断进行探索和创新。

目前，相变储能已经在多个领域得到应用，比如太阳能电池、储能设备等。

本文将对相变储能进行详细的分类和介绍。

首先，我们将对相变储能的定义和原理进行阐述，以便读者对其基本概念有更加清晰的认识。

其次，我们将介绍相变储能的分类方法，包括根据相变物质的类型、相变过程的性质以及储能设备的结构等方面进行分类。

通过对不同分类方法的介绍，我们可以更好地了解相变储能技术的多样性和应用场景。

最后，在结论部分，我们将总结相变储能的分类及其应用，并展望相变储能的未来发展。

相信通过本文的阅读，读者们能够对相变储能有更深入的了解，为其在能源领域的应用和发展提供一定的参考和借鉴。

1.2文章结构文章结构部分的内容应当包括对整篇文章的结构和各个章节的简要描述。

文章结构部分可以按照以下方式进行编写：文章结构：本篇文章主要分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分主要介绍相变储能的概述、文章的结构和目的。

正文部分主要包括相变储能的定义和原理以及相变储能的分类方法的详细讲解。

结论部分主要总结相变储能的分类及其应用，并展望相变储能的未来发展。

通过以上结构，读者可以清晰地了解本篇文章的组织和内容安排。

本篇文章将全面介绍相变储能的相关知识，从定义和原理出发，详细讲解相变储能的分类方法，最后对相变储能的应用进行总结，并展望其未来的发展前景。

1.3 目的本文的目的是对相变储能进行分类研究和探讨，并总结相变储能的分类及其应用。

通过对相变储能的定义和原理进行详细解析，我们将介绍不同类型的相变储能以及它们的特点和优缺点。