西安交通大学，Nature Materials！

一、研究背景

人工智能和物联网等数据密集型应用正以前所未有的速度产生海量数据，对高效的数据存储和处理提出了严峻挑战。基于电阻开关非易失性存储器阵列的神经形态计算或内存计算（IMC）通过在同一位置统一存储和计算，可以显著提高计算效率并降低能耗。

二、关键问题

目前，非易失性存储材料的研究主要存在以下问题：

1、非晶态结构弛豫导致的电阻漂移问题

非晶态相变材料（a-PCM）的内在亚稳态性质会导致自发结构弛豫（即老化），引起电阻随时间变化。这种不可容忍的电阻漂移严重威胁着神经形态计算所需的器件精度。

2、极端温度下的性能稳定性仍是一个巨大的挑战

高精度内存计算面临的瓶颈问题与材料编程时的固有随机性有关，尤其是在不同于室温的温度下运行时。此前的研究尝试大多只在室温下降低了漂移趋势，缺乏一种能在宽泛操作温度范围内提供稳定电阻态的相变材料。

三、新思路

有鉴于此，西安交通大学张伟教授、马恩教授、王疆靖教授等人报告了一种受第一性原理计算指导设计的非晶相变材料，该材料由稳定的“分子状”基元组成，从而剥夺了非晶合金中导致弛豫和电阻漂移的关键结构成分。作者展示了非晶CrTe₃薄膜，该薄膜在−200 °C至165 °C的任何工作温度下几乎不显示电阻漂移，并通过混合光电方法突显了其多级编码能力。作者进一步揭示，相同的无漂移行为在电子器件中通过熔融淬火获得的非晶 CrTe₃上也成立。此外，CrTe₃的应用潜力通过将其整合到一个具备自动路径追踪功能的车辆中得到了验证。该工作通过合理设计无序相变材料，为实现潜在相变神经形态计算所需的特性提供了一条替代途径。

技术方案：

1、设计了类分子玻璃a-PCM

本文通过DFT和AIMD计算，发现非晶态CrTe₃由无缺陷八面体组成，缺乏皮尔斯畸变，且与晶态CrTe₃电阻率差异显著。

2、证实了在极端温度下电阻漂移的抑制

非晶态CrTe₃薄膜在 - 200℃至165℃温度范围内电阻漂移系数极低，表现出优异的稳定性，是目前唯一对电阻漂移免疫的相变材料。

3、测量了CrTe₃器件的电学性能

作者验证了电学熔淬产生的非晶态CrTe₃的无漂移特性，其在2×10⁵次循环后仍保持稳定。同时，CrTe₃在多级编码中表现出色，在不同温度下均能保持16个分离良好的电阻水平。

4、展示了CrTe₃桥状器件阵列

作者将CrTe₃器件阵列集成到车辆中实现自动路径追踪，即使在高温和长时间放置后仍稳定工作，而GST器件因电阻漂移很快失效。

技术优势：

1、发现了首个内在稳定的无漂移a-PCM

研究发现了CrTe₃这种新型非晶相变材料，它在−200 °C至165 °C的极宽范围内，从材料制备到长时间老化都实现了内在的超低电阻漂移。这为满足数据中心和边缘计算平台对高精度多级编程的苛刻要求，提供了前端材料解决方案。

2、开创了“分子玻璃状”材料设计新范式

通过第一性原理计算指导设计，提出了基于“分子状”基元的“分子玻璃状”非晶态材料概念。这种结构设计使其在势能曲面上处于一个陡峭的盆地底部，难以发生结构弛豫，从根本上消除了电阻漂移的结构来源。

技术细节

类分子玻璃a-PCM的设计

传统非晶相变材料（a-PCMs）的电阻漂移源于结构弛豫，表现为（缺陷）八面体基元的皮尔斯畸变增强或突出结构缺陷（如“错误”键和四面体基元）随时间消失.。本文提出的核心理念是寻找一种内在缺乏此类时间依赖和温度诱导弛豫倾向的 a-PCM。通过自旋极化密度泛函理论（DFT）计算，发现晶态 CrTe₃ (c-CrTe₃)的定向键没有明显的皮尔斯畸变。DFT-基准的从头算分子动力学（AIMD）计算证实，非晶态CrTe₃ (a-CrTe3) 主要由以无序方式连接的非缺陷[CrTe₆]八面体组成，这些基元具有“分子状”特征。定量结构分析（ALTBC）表明，a-CrTe₃ 在25°C和165°C下缺乏皮尔斯畸变。电子结构计算预测c-CrTe₃ 是半导体，而 a-CrTe₃的带隙被填充，确保了两者之间存在显著的电阻率差异。作者采用磁控溅射法在四英寸SiO₂//Si衬底上制备了厚度约50- 150 nm 的CrTe₃薄膜。XRD结果显示，该薄膜在270℃晶化，晶化前后电阻对比显著。非晶态电阻约7 kΩ，晶态约100 kΩ，晶化密度增加约3.9%。34个单元测试显示电阻高度一致，TEM分析显示晶化后晶粒大且高度织构化。

图  材料设计、合成与表征

在极端温度下电阻漂移的抑制

研究人员通过漂移系数ν量化电阻漂移行为，发现刚沉积的非晶态CrTe₃薄膜在室温下漂移系数ν约0.001。实验表明，从室温到150℃升温过程中，CrTe₃的ν值持续保持在0.001 - 0.002，即使在165℃时，ν也仅略微增至约0.004。这些数值远低于a - GST（ν约0.11）。CrTe₃的超低漂移特性在长时间（10小时）和3天储存后依然稳健，ν仍约0.001。更重要的是，使用液氦制冷系统测试发现，CrTe₃薄膜在0℃降至 - 200℃的任何温度下，电阻都非常稳定，ν约0.001。CrTe₃是目前唯一在IMC所有实际工作温度范围（ - 200℃至165℃）内对电阻漂移免疫的相变材料。

图  最小电阻漂移

CrTe₃器件的电学测量

作者为验证电学熔淬产生的非晶态a-CrTe₃是否具有无漂移特性，对约100 nm厚的限制型CrTe₃存储器件进行测量。器件经单次RESET脉冲完全非晶化后，漂移系数ν约0.001，与刚沉积的非晶态一致。TEM分析确认电学切换使单元完全非晶化。经过2×10⁵次循环后，RESET态的无漂移行为（ν约0.001）保持不变，SET态（c-CrTe₃）的电阻也恒定。此外，研究人员通过混合光电热方案评估CrTe₃的多级编码能力，使用逐级SET方法，在25℃、80℃和150℃下，CrTe₃器件均展示了16个分离良好的电阻水平，即使在165℃下也保持可区分。

图  使用受限CrTe₃器件进行电气测量

通过稳定的电阻水平实现路径追踪功能

研究人员制作了一个2×2的CrTe₃桥状器件阵列，并将其集成到自制车辆中用于自动路径追踪。阵列中的四个器件被编程为四个分离的电阻值，这些电导值被映射到单层神经网络中以执行矩阵向量乘法。基于CrTe₃的车辆运行良好，即使在空气中放置超过1个月，或在150℃下加热控制板超过1小时后，自动路径追踪功能仍能正常工作。作为对照，集成GST器件阵列的车辆虽然初始成功，但由于a-GST的电阻漂移，仅10分钟后其自动路径追踪功能就完全失效。

图  CrTe₃基路径跟踪车

五、展望

总之，本文设计了一种新型非晶态相变存储材料，以CrTe₃薄膜为基础，具有从-200℃到165℃的超宽工作温度范围且无电阻漂移。其分子玻璃结构使其在高温度下保持稳定，兼具快速晶化速度。未来将通过原位测量和机器学习等手段进一步研究其性能，并测试其在纳米级器件中的多级容量、耐久性和可变性。该材料有望满足数据中心和边缘计算平台对高精度多级编程的需求。

参考文献：

Wang, X., Wang, R., Sun, S. et al. Amorphous phase-change memory alloy with no resistance drift. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02361-0

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