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随着现代信息技术在智能化领域的不断发展，人们对数据存储的深度与广度都提出了越来越高的要求，不仅希望存储介质能够用于制造各类成本低廉、容量巨大的存储器件，而且在新介质显示、类脑计算等领域表现出长远的发展潜力。而现有的存储器体系经过数十年的发展，在存储容量与价格上似乎已经走向尽头，更不要说新技术应用领域的发展潜力。因此，人们需要一种新的存储介质，同时具备低成本和高性能两种特点。相变存储器是最有潜力的下一代新型存储器之一，具有更快的开关速度、尺寸缩小优势、简化工艺流程、易于集成CMOS工艺等优点，受到来自工业界的广泛关注，在商用化的道路上发展的最快，不仅已有大容量的示范芯片，而且在一小部分商用设备上已有应用。近年来，基于相变材料的多值存储、神经形态计算等新技术应用进一步拓展了相变存储器的应用潜力，使得相变存储器朝着存储体系中“统一存储器”的未来目标前进了一大步。
本文针对纳米级非晶态相变材料的微观局域结构和宏观相变特性的相互关系，以及纳米级相变存储器的器件应用方面，在纳米材料的局域结构、温度和界面的影响、集成器件的性能等方面进行了深入的研究，主要研究要点如下：
在纳米相变材料的局域结构研究方面，介绍了纳米级超薄膜相变材料的制备工艺以及优化方法，并从显微学角度展示清晰平整的的材料界面，而且可以顺利实现相变过程。通过X射线吸收谱的研究发现，非晶GeTe的纳米级样品中Ge-Ge键比较常见，Ge-Te键变短，配位数明显下降。这符合局域结构上一种缺陷Ge2Te3配位构型的猜想，这种构型在块材中结构保持完整，符合块材GeTe的实验数据。当厚度减小至纳米尺度，Ge-Te键由于结合能较小发生断裂，形成缺陷配位结构，Te原子则离开格点，形成空位。通过分析abinitio分子动力学模拟形成的非晶模型的键角、配位数统计分布，可以发现由于sp3杂化体系能量增加，Ge-Te键发生断裂，从而形成低配位构型。纳米级薄膜的非周期性条件破坏了Te子晶格的完整性，使得相变所需要的局域有序性降低，从而提高了相变的能量势垒，这一点也与纳米级薄膜晶化温度指数上升的宏观相变特性相吻合。
在温度对纳米级相变材料结构的影响方面，展示了通过拉曼光谱研究材料内部八面体与四面体团簇的转化情况的方法。当相变材料厚度从几个纳米逐渐增加，八面体含量逐渐增加，四面体逐渐减少。当厚度增加到一定程度，纳米尺寸效应减弱，不再影响内部结构。当经历的退火温度低于相变温度点时，纳米材料中四面体纳米材料结构局域稳定，可抑制外加温度影响，阻碍自发的弛豫行为。而块材模型内部弹性成键的团簇较多，容易发生自发弛豫。当经历的退火温度高于相变温度点时，纳米材料中大量四面体结构处于激发态，加速转化为八面体结构，呈现出晶化加速的现象。
在接触界面对纳米级相变材料结构的影响方面，含有氧这类电负性强的元素的介质，如SiO2等，会使得相变材料的非晶性增强，增加无序程度；SiC等不含氧界面接触则与之相反，促进晶化，增加有序程度，而且两者的影响效果都会被尺寸效应所放大。以Ti3W7为代表的金属则能明显增加结晶效果，但这种促进作用与尺寸相关性很弱。
在纳米级相变单元集成器件性能的调控方面，设计水平与垂直两种电极配位方案来抑制尺寸效应引起的阻值变化。所设计的水平电极配置可以降低非晶化过程的高电流，减小了整体功耗；新型垂直电极配置则可增大晶态电阻，避免大电流的隧穿，延长器件寿命。通过阻值漂移测试发现，纳米尺寸效应抑制了材料自发的弛豫过程，从而抑制宏观上的电阻漂移现象。其漂移因子与电导活化能具有一一对应的单调关系，从而可以用电导活化能快速检测单元的电阻漂移特性，以及测试单元的寿命阶段。依据电介质或金属界面对纳米级相变材料的局域结构影响的结论，界面可以显著改变纳米级单元结构中材料本身的相变特性，因此可以用来调控纳米相变单元的晶化阈值。
本文针对纳米级非晶态相变材料的微观局域结构和宏观相变特性的相互关系，以及纳米级相变存储器的器件应用方面，在纳米材料的局域结构、温度和界面的影响、集成器件的性能等方面进行了深入的研究，主要研究要点如下：
在纳米相变材料的局域结构研究方面，介绍了纳米级超薄膜相变材料的制备工艺以及优化方法，并从显微学角度展示清晰平整的的材料界面，而且可以顺利实现相变过程。通过X射线吸收谱的研究发现，非晶GeTe的纳米级样品中Ge-Ge键比较常见，Ge-Te键变短，配位数明显下降。这符合局域结构上一种缺陷Ge2Te3配位构型的猜想，这种构型在块材中结构保持完整，符合块材GeTe的实验数据。当厚度减小至纳米尺度，Ge-Te键由于结合能较小发生断裂，形成缺陷配位结构，Te原子则离开格点，形成空位。通过分析abinitio分子动力学模拟形成的非晶模型的键角、配位数统计分布，可以发现由于sp3杂化体系能量增加，Ge-Te键发生断裂，从而形成低配位构型。纳米级薄膜的非周期性条件破坏了Te子晶格的完整性，使得相变所需要的局域有序性降低，从而提高了相变的能量势垒，这一点也与纳米级薄膜晶化温度指数上升的宏观相变特性相吻合。
在温度对纳米级相变材料结构的影响方面，展示了通过拉曼光谱研究材料内部八面体与四面体团簇的转化情况的方法。当相变材料厚度从几个纳米逐渐增加，八面体含量逐渐增加，四面体逐渐减少。当厚度增加到一定程度，纳米尺寸效应减弱，不再影响内部结构。当经历的退火温度低于相变温度点时，纳米材料中四面体纳米材料结构局域稳定，可抑制外加温度影响，阻碍自发的弛豫行为。而块材模型内部弹性成键的团簇较多，容易发生自发弛豫。当经历的退火温度高于相变温度点时，纳米材料中大量四面体结构处于激发态，加速转化为八面体结构，呈现出晶化加速的现象。
在接触界面对纳米级相变材料结构的影响方面，含有氧这类电负性强的元素的介质，如SiO2等，会使得相变材料的非晶性增强，增加无序程度；SiC等不含氧界面接触则与之相反，促进晶化，增加有序程度，而且两者的影响效果都会被尺寸效应所放大。以Ti3W7为代表的金属则能明显增加结晶效果，但这种促进作用与尺寸相关性很弱。
在纳米级相变单元集成器件性能的调控方面，设计水平与垂直两种电极配位方案来抑制尺寸效应引起的阻值变化。所设计的水平电极配置可以降低非晶化过程的高电流，减小了整体功耗；新型垂直电极配置则可增大晶态电阻，避免大电流的隧穿，延长器件寿命。通过阻值漂移测试发现，纳米尺寸效应抑制了材料自发的弛豫过程，从而抑制宏观上的电阻漂移现象。其漂移因子与电导活化能具有一一对应的单调关系，从而可以用电导活化能快速检测单元的电阻漂移特性，以及测试单元的寿命阶段。依据电介质或金属界面对纳米级相变材料的局域结构影响的结论，界面可以显著改变纳米级单元结构中材料本身的相变特性，因此可以用来调控纳米相变单元的晶化阈值。