相变存储材料已被广泛应用于先进电子和光电子器件中，如非易失性存储器和类脑计算等。由于Sb₂Te更加可控的界面生长结晶特性，该材料在光电子芯片应用领域正受到越来越多的关注。然而，Sb₂Te在器件中纳秒级结晶时是否也会形成与多晶形核驱动的Ge-Sb-Te合金类似的亚稳态晶相尚不清晰。若该亚稳相具有与基态晶相差较大的光学属性，则会对实际应用产生难于预测的影响。本工作基于第一性原理计算DFT、第一性原理分子动力学模拟AIMD以及有限时域差分计算FDTD对Sb₂Te材料光电子器件应用进行了预测。揭示了Sb₂Te在高温下可实现纳秒级的非晶至晶体的结构相变，而且结晶态结构可在持续退火的状态下逐步实现Te原子有序变化。这两种相变过程均对Sb₂Te的光学特性产生较大影响。将DFT计算得到的折射率与消光系数传递给FDTD进行薄膜光学器件、光波导器件的模拟预测，我们给出了器件制备与操作模式的关键建议，可最大化利用相变材料光学的特性进行非易失性光显示、光学存储与计算等方面的应用。

图1 相变材料Sb₂Te光显示器件的跨尺度模拟

该工作以Multiscale simulations of growth-dominated Sb₂Te phase-change material for non-volatile photonic applications为题目发表于npj Computational Materials9, 136 (2023)。材料创新设计中心为第一作者单位与通讯作者单位。该工作得到了西安超算中心与西安交通大学高性能计算平台的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41524-023-01098-1