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相变存储器具有高速度、高密度、低功耗和非易失性等特点，被认为是最具发展前景的下一代存储器。相变材料是相变存储器的核心部分，相变材料的改进对提高相变存储器的性能，应对市场不同的需求，至关重要。元素掺杂是提升相变材料性能的主要手段，研究掺杂成分对相变材料微观结构、相变物理机制和宏观电学、力学性能的影响十分必要。与典型相变材料Ge2Sb2Te5相比，Sb2Te3具有熔点低、相变速度快等优点，但其结晶温度和电阻值较低;GeTe具有结晶温度高、两态阻值反差大等优点，但其相变速度慢、晶态电阻低。
材料计算能高效地研究材料的微观结构、电学和光学性质，并模拟材料中原子在外场作用下的行为，是实验的有效辅助手段，已成为研究相变材料的重要工具。本论文在实验数据的基础上，采用第一性原理计算和从头算分子动力学方法，主要研究了Si、Al和N掺杂对锑碲基相变材料的微观结构、相变物理机制和相变性能的影响，主要结果如下:
1.Si掺杂对Sb2Te3的微观结构和相变性能的影响。计算证实Si原子不易进入Sb2T3的晶格中，而倾向存在于Sb2T3的晶界处。在模拟得到的液态和非晶态SixSb2Te3的结构模型中，Si原子之间相互成键，而Sb和Te原子之间相互成键，在局部区域都能形成富Si与富SbTe两相;在晶化过程中，Si原子会抑制Sb2Te3的成核与生长，减小晶粒尺寸，从而提高结晶温度，与实验结果相一致。证实在SixSb2T3的可逆相变过程中，主要是富SbTe部分主导相变，属于纳米复合形式的可逆相变过程。
2.研究了低浓度(＜7at.％)Al掺杂对相变材料Sb2T3的晶体结构和电学性能的影响。发现Al原子进入Sb2Te3晶格中，主要以Al占据Sb晶格位置的替位形式存在，并与Te原子成键，形成6配位的八面体结构。Al掺杂增大了Sb2Te3禁带宽度，且促进导带底和价带顶的电子局域性，提升了材料的电阻率，证实了低浓度掺杂的AlxSb2Te3薄膜电阻随Al含量升高而增大。相应计算证实非晶态Al0.36Sb2Te3中Al原子主要与Te原子成键，且形成4配位的四面体结构。Al原子之间没有成键，并不形成Al团簇或Al网格，不同于Si掺杂的情况。Al0.36Sb2Te3中Al原子配位数在相变前后的变化被认为是其电学性能显著变化的重要潜在诱因。
3.研究了N掺杂Sb2Te3薄膜相变材料的热稳定性。发现N掺杂Sb2Te3薄膜具有高温热不稳定性，实验发现在300℃温度下退火5分钟后，薄膜中的N元素将消失。通过第一性原理计算N掺杂Sb2Te3的反应形成焓证实N元素Sb2Te3中并不稳定;在晶态结构中，N原子更易形成N2分子，而不是Sb或Te的氮化物。X射线光电子能谱的结果表明在沉积态的N掺杂Sb2Te3薄膜中，N元素以N2分子和氮化物的形式共存。由于Sb-N键没有N-N键稳定，在高温作用下，Sb-N键会断裂释放N原子形成N2，并向外扩散。N掺杂Sb2Te3薄膜的高温热不稳定性将导致相变器件可靠性和使用寿命低下。
4.研究了GeTe的稳定晶态结构，以及N掺杂对其影响。GeTe的稳定晶态结构是存在晶格畸变的岩盐结构，该计算的能带结构与实验值相符。N原子和N2分子都不易进入GeTe晶体的晶格中，杂质N只能存在于GeTe的晶界处。模拟非晶态N0.19GeTe的结构发现N原子主要与Ge原子成键，形成4配位的四面体结构，不存在链状的N团簇或N网格，N原子只能分散在材料中。N掺杂GeTe薄膜中形成的Ge的氮化物对抑制GeTe的成核生长，提升薄膜晶化温度与数据保持力，降低功耗具有显著作用。