從IBM人工神經元說起--相變材料與MEMS

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在之前的一篇微機電系統（MEMS）文章（揭開MEMS（微機電系統）的面紗 - 微機電系統（MEMS） - 知乎專欄）中也提到了，相變材料在MEMS也是比較特殊的一類器件：

（另外一個非位移式MEMS典型例子是依靠材料屬性變化的MEMS器件，例如基於相變材料的開關，加入不同電壓可以使材料發生相變，分別為低阻和高阻狀態，詳見後續開關專題）。

以下內容主要來自於以前所寫的一篇相變材料綜述，過於具體的技術細節刪除後，通過在線翻譯及校對將原文翻譯為中文分享於此，水平有限，歡迎指正與指導。

相變材料（PCM）已廣泛應用於非易失性存儲器和光存儲器。現在，相變材料由於其相變前後顯著的電阻率變化，在MEMS射頻開關和可重構射頻系統表現出了優異的性能。相變材料MEMS射頻開關表現出優異的特徵，包括低插入損耗、隔離度高、線性度好、功率容量，並與CMOS電路易於集成，最近吸引了大量的注意。隨著無線通信系統的快速發展進步，可重構射頻設備越來越重要。其中一個解決方案便是採用使用相變材料PCM製作射頻開關來重構射頻器件。相變材料的物理性能，如光學反射率和電阻率，在相變發生前後會產生顯著變化。雖然該相變轉換的物理機制尚不十分清楚，我們已經能夠在射頻開關利用PCM。

此處筆者將詳細介紹兩中典型的相變材料，碲化鍺Ge50Te50和二氧化釩（VO2），及其在射頻領域的應用。

首先大致介紹一下相變材料：

這裡所關注的相變材料的特殊之處在於擁有兩個特殊的相，這兩個相的某些屬性（最關注的就是電阻率了）具有顯著的差異，可以通過兩個相的轉換實現類似開關的功能。這兩個相分別是無定形amorphous態和晶體crystalline態。

高低阻態還是比較好理解的，晶體crystalline態具有更好的電子移動性能，為低阻態，相反的，無定形amorphous態為高阻態。具體而言，比如對於GeTe，非晶態是一種原子排列混亂（短程有序）的狀態，而結晶狀態是一個原子組織有序（長程有序）的狀態。無序的無定形狀態有一個較低的平均自由程的傳導電子，阻礙了當前的流動，由於電子散射，從而導致在一個更高的電阻，相比於結晶狀態。

▲圖為相變材料兩種狀態：無定形amorphous態和晶體crystalline態

▲相變前後發生了顯著的電阻變化。

換言之，相變材料在熱驅動下，產生可逆的相變，發生可逆的電學/光學性能突變。更嚴謹一些的話，針對不同相變材料，除了熱驅動，還有多種多樣的觸發方式，電場，激光，甚至壓力應變都可以。

其實相變的過程中甚至還可以用顯微鏡看到其顏色產生變化，這也成為相變發生與否的一個判斷依據。

▲圖為相變開關中兩種相(a) crystalline (b) amorphous states。圖片中的相變主要發生在中心處（filament，大概是翻譯為燈絲狀）。

Ge50Te50和nVO2是比較深入研究了的兩種相變材料，其優勢在於特殊的相變觸發條件及相變前後高電阻變化率。對於Ge50Te50，電阻變化率可達10e6倍，而對於VO2，電阻變化率是10e5倍。此外，兩種材料的關鍵不同在於其相變觸發方式。

Ge50Te50n 相變材料射頻開關切換後不需要消耗額外的功率，即相變轉換是非易失性，轉換後會保持該相。之間的非晶轉變（絕緣）和晶體（導電）的狀態是通過加熱和冷卻來實現。如下圖所示，通過加熱相變材料到特定溫度（結晶溫度T_c或融化溫度T_melt），且保持一個特定的時間（>n100納秒可以開啟，<n40 ns的可以實現關閉）可以實現相的變化。

▲圖為Ge50Te50 相變材料的相變觸發方式。快速熔化/淬火導致其變化為無定形amorphous態（高電阻狀態），而較慢、較低的脈衝則導致其變化到晶體crystalline態（低電阻狀態）。

VO2 相變材料則有所不同，當其溫度超過68°C的臨界轉變溫度後，即保持低阻狀態。在室溫附近的臨界轉變溫度（在某些情況下）是一個顯著的優勢，對於構建射頻開關而言。除了熱觸發，VO2相變射頻開關也可以通過DC /射頻觸發（閾值電場從~ 10e4至10e7V/cm不等），磁，光，應力激發，或同時結合多種激勵來觸發相變，這表明了VO2具有更多的應用潛力。

三個典型的觸發方法如圖所示。

▲圖為VO2的不同的觸發方式為：（1）溫度變化導致電阻率變化；（2）電場變化導致電阻率變化；（3）激光觸發導致電阻率變化。

相變材料介紹部分主要就這些，有興趣的可以關注專欄查看更新微機電系統（MEMS） - 知乎專欄。

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