（通讯员 高亮）9月27日，《先进材料》（Advanced Materials）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心于海滨教授课题组题为“Percolation-Drivenb β-Relaxation Enables Resonant Acceleration of Crystallization in Amorphous Phase-Change Materials”的研究论文。中心2023级硕士生刘豫瑶（已毕业）、2022级博士生高亮（已毕业）为论文共同第一作者，于海滨教授、丹麦奥胡斯大学Shuai Wei教授和西安交通大学王疆靖教授为论文共同通讯作者，德国亚琛工业大学Ulrich Boettger教授、Yiming Zhou、Jan Luebben、Di Zhao、Xiaoling Lu、Maximilian J. Müller与中心2024级博士生江俊颖参与相关研究工作。
非晶相变材料是一类能够在非晶态和晶态之间快速切换的功能材料，两种状态在电阻和光学反射率上的显著差异可用于编码信息，使其成为非易失存储和存内计算器件的重要材料。以Ge2Sb2Te5（GST）为代表的非晶相变材料，既需要快速晶化以实现高速读写，也需要非晶态在数据保存期间保持稳定。因此，理解并调控其晶化动力学，是提升相变存储器件性能的关键。
目前，非晶相变材料的晶化通常通过电或光脉冲产生的局部加热来调控，但原子运动如何促成晶核形成与晶体生长，仍缺乏清晰的微观解释。尤其是在非晶态中，主导整体流动的α弛豫近乎冻结，而更快、涉及准局域原子运动的β弛豫仍保持活跃。已有研究表明，β弛豫与相变材料的晶化行为密切相关，但局域原子运动如何进一步发展为大尺度结构重排，并最终影响晶化路径和晶化速率，仍是亟待解决的关键问题。
围绕无序体系中弛豫行为的微观机制，于海滨教授课题组此前已在《自然·物理》（Nature Physics）发表研究成果（入选2025华中科技大学重大学术进展），提出了统一描述α和β弛豫的“双逾渗”理论框架。该理论指出，不同动力学区域的逾渗可分别对应α和β弛豫：高温区慢动力学区域的贯通与α弛豫相关，而较低温度下快动力学区域的贯通则与β弛豫相关，从而把局域原子运动与宏观弛豫过程联系起来。这一理论为理解非晶相变材料中活跃的β弛豫提供了新的微观视角，也为进一步揭示β弛豫如何影响晶化动力学提供了可能的理论基础。
基于上述理论框架，于海滨教授课题组进一步将“双逾渗”理论研究应用于典型非晶相变材料GST。他们结合深度学习分子动力学模拟、晶化路径分析与超声实验，研究相变材料中b弛豫的微观起源及其对晶化的影响。研究发现，移动原子的逾渗是β弛豫的微观起源，并为非晶相变材料晶化过程的共振加速提供了动力学基础。具体而言，当移动原子形成贯通网络时，体系出现β弛豫，晶化加快，晶化路径也随之改变（图1）。他们利用基于团簇匹配的晶体识别方法，定量区分不同的成核与生长过程，发现逾渗发生后，扩散驱动的成核与晶体生长均明显增强。在此基础上，模拟与超声实验进一步表明，与β弛豫特征频率匹配的超声激励能够更有效地激发移动原子，加速晶化（图2）。
图1 非晶相变材料中移动原子逾渗驱动的β弛豫及其与晶化动力学的关联
图2 β弛豫特征频率超声激励加速晶化的微观机制
该研究将此前提出的双重逾渗理论进一步拓展到相变材料的晶化调控问题，建立了移动原子逾渗、β弛豫与晶化行为之间的微观联系，说明了局域原子运动如何通过逾渗过程影响晶化动力学。同时，提出了依据β弛豫特征频率设计外场激励的调控思路，为探索写入速度与数据保持能力的协同优化，以及发展高性能相变存储器件提供了新的物理依据。
该研究工作得到华中科技大学和强磁场中心计算平台，丹麦VILLUM基金会支持。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.75151
