客户成就丨X射线光电子能谱揭示Ge-Se双向阈值开关材料的结构奥秘

双向阈值开关（OTS）器件是存储器由二维向三维架构演变的关键元件，其核心结构由电极/硫系薄膜/电极构成。其中，Ge-Se 硫系薄膜因其优异的开关特性而成为最受关注的 OTS 材料体系。然而，该体系在不同成分区间（特别是富硒区与富锗区）的价带结构与原子结构尚未被全面揭示。为攻克这一难题，上海交通大学朱敏教授团队与赛默飞世尔科技的葛青亲、史南南合作，利用赛默飞 ESCALAB QXi XPS 平台，对 Ge?Se???（x = 0–100%）在全组成范围内的电子结构和键型分布进行了系统研究。相关成果以 “X-Ray Photoelectron Spectroscopy Analysis of Ge-Se Chalcogenides” 为题发表。

研究团队通过高分辨率 XPS 对 Ge 3d 芯能级与价带结构进行了重构分析，建立了 Ge 含量变化、配位环境转变及键型重新分布之间的定量关联。研究结果显示，Ge-Se 体系在不同成分区间呈现出三类结构区域：富硒区（x < 40%）保持 4:2 的 Ge:Se 配位结构；富锗过渡区（x = 40–60%）显示出3:3 的 Ge-Se 配位与 Ge-Ge 同极性键形成竞争；锗主导区（x ≥ 70%）则表现出超过 72% 的键为同极性 Ge-Ge 键。

此外，通过价带谱分析还发现了硒链的解离和不同类型的Ge-Se键以及同极性Ge-Ge键的形成。这些结果确立了Ge-Se硫族化物中的成分-结构关系，表明通过控制Ge的掺入可以通过缺陷介导的键工程优化OTS性能。

该研究不仅深化了对 Ge-Se 硫系材料电子结构的理解，也为高性能 OTS 材料的设计和未来高密度存储技术的发展提供了新的思路。

图1. 系列Ge_xSe_1–x 薄膜的 Ge3d 芯能级图随组分的演化

图2. 通过 XPS 价带谱分析系列Ge_xSe_1?x 薄膜的价电子结构

图3. 富硒样品与富锗样品的 XPS 价带谱对比

赛默飞ESCALAB QXi XPS系统在这一研究中发挥了重要作用，其高分辨率、高灵敏度的检测能力，为原子级结构解析提供了可靠技术支撑。这些发现不仅深化了我们对Ge-Se体系电子结构演变的理解，也为未来高性能存储器材料的设计提供了新的思路和方法。赛默飞将继续致力于为科研人员提供先进的仪器和解决方案，助力科学研究的不断突破。