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非晶相变合金如Ge2Sb2Te5（GST）中的局域带隙态通过普尔-弗伦克尔（Poole-Frenkel）机制调控电导。理解带隙内态的起源及其在玻璃老化过程中的时间演化，对控制相变存储器件的电阻漂移至关重要。研究人员采用机器学习原子间势（machine lear
非晶相变合金如Ge2Sb2Te5（GST）中的局域带隙态通过普尔-弗伦克尔（Poole-Frenkel）机制调控电导。理解带隙内态的起源及其在玻璃老化过程中的时间演化，对控制相变存储器件的电阻漂移至关重要。研究人员采用机器学习原子间势（machine learning interatomic potential）构建了多种GST非晶模型，并基于杂化泛函的密度泛函理论（density functional theory, DFT）分析其电子结构。通过对带隙内态局域结构基元的详细统计分析发现，绝大多数带隙内态涉及错误键（同极键或Ge-Sb键），常伴随四面体配位的Ge或过配位Ge、Sb原子。模拟玻璃老化的元动力学（metadynamics）模拟支持如下图像：结构弛豫导致带隙内态减少，进而引起电阻升高。该模拟结果为缓解相变存储器件中的电阻漂移提供了重要见解。
论文解读：《非晶Ge2Sb2Te5带隙内态的起源研究》
研究背景与意义
相变存储器（phase change memory, PCM）依托硫族化合物在晶态与非晶态之间的快速可逆相变实现数据存储，两态显著的电阻率差异可用于二进制信息编码，并可通过调控非晶区域尺寸实现多级或模拟阻态，支撑存算一体与神经形态计算应用。然而，非晶相作为亚稳态会发生结构弛豫，导致电阻率随时间对数增长，即电阻漂移现象，这严重制约了PCM的可靠性与多级存储、神经形态器件的开发。传统观点认为漂移源于应力释放或局部缺陷结构的弛豫，其中带隙内局域态（in-gap states）被认为是调控电导的核心：这些态形成陷阱，通过Poole-Frenkel机制主导热激活输运，其密度与分布的变化直接决定激活能及电阻的演化。尽管已有实验与模拟关联了Ge的四面体配位、同极键与漂移行为，但非晶GST中带隙内态的具体结构起源仍不明确，现有模型的错误键比例与真实材料存在差异，限制了机理认知与材料优化。本研究发表于《Acta Materialia》，旨在通过高精度原子模拟揭示带隙内态的结构本质，为抑制电阻漂移提供理论依据。
关键技术方法
研究人员采用自主开发的神经网络（neural network, NN）机器学习原子间势（DeePMD架构）构建GST非晶模型，该势函数经包含18万种构型的DFT数据库训练，能准确复现非晶相中同极键与Ge-Sb错误键的比例。通过熔融淬火结合分子动力学（molecular dynamics, MD）生成44个不同尺寸（216~459原子）的非晶模型，并在DFT框架下采用杂化泛函优化结构与计算电子性质，以精确描述带隙。针对老化过程，采用元动力学（metadynamics）方法加速结构弛豫，追踪带隙内态的动态演化。统计分析覆盖深能级态与浅能级态（含Urbach带尾），并通过局部结构基元分类明确其与化学键、配位环境的关联。
研究结果
验证与结构特征：非晶GST中Te以3配位金字塔构型为主，Sb兼具3配位金字塔与4~5配位缺陷八面体构型，Ge则以3配位缺陷八面体为主，少量呈4配位四面体构型，与前期DFT结果一致。所采用的NN势显著提升了错误键比例的预测精度，克服了此前模型的偏差。
带隙内态的起源统计：深能级态密度与光导测量值量级吻合。统计分析表明，超过80%的带隙内态局域于含错误键（Ge-Ge、Sb-Sb、Ge-Sb）的结构单元，其中Ge的四面体配位与过配位（5~6配位）是核心诱因。浅能级态（Urbach尾）则更多与Te的孤对电子及轴向键链相关，证实了结构缺陷对带隙态的双重调控作用。
老化过程的动态演化：元动力学模拟显示，随着模拟时间推移，系统总能量降低，Ge-Ge键与四面体配位Ge数量持续减少，对应带隙内态密度下降、带隙展宽，Fermi能级向禁带中央移动，最终表现为激活能升高与电阻增大，与实验观测的漂移行为完全一致。
讨论与结论
研究明确了非晶GST带隙内态的结构起源：错误键与特定配位环境（四面体Ge、过配位Ge/Sb）是产生局域态的主导因素，其随老化的耗竭直接导致电阻漂移。这一结论统一了此前关于Ge四面体与同极键作用的争议，证实两者并非独立变量，而是共同源于亚稳结构弛豫。研究采用的机器学习势与杂化泛函结合方案，为复杂硫族化合物的缺陷-性能关系研究提供了高精度、高效率的计算范式。成果不仅从原子层面揭示了电阻漂移的本质机理，更为通过成分调控（如抑制错误键形成）、结构设计（如引入应力缓冲层）缓解漂移提供了明确方向，对下一代高性能PCM的开发具有重要指导意义。
