国立先进产业科学技术研究所 [院长：Ryoji Chubachi]（以下简称“AIST”）AIST-东北大学数学先进材料建模开放创新实验室（MathAM-OIL）[实验室主任：Takeshi Nakanishi] Akihiko Hirata 首席研究员是东北大学[院长大野] Hideo]（以下简称“东北大学”）教授材料科学研究所 (AIMR) 和金属研究所 (IMR) 的 Satoshi Ichitsubo无定形物质，无定形相变记录材料局部结构的特点得到澄清。
近年来，为了进一步提高光盘的性能，需要一种对记录层中使用的非晶相变记录材料的结构进行高精度分析的方法。在这次开发的方法中，逆蒙特卡罗方法常规，X射线衍射等平均结构信息测量超细电子束衍射的非晶建模方法埃束电子衍射法局部结构可以比传统的反向蒙特卡罗方法更直接地建模。当用这种方法分析相变记录材料的非晶结构的局部结构时，发现它接近晶体结构，但极度扭曲。此次开发的方法有望在阐明各种非晶材料的结构和功能方面取得进展。
此结果的详细信息请参阅《美国物理学会杂志》物理评论信
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| DVD等记录层的非晶Ge2锑2特5局部结构建模概述 |
Ge2锑2特5为代表的相变记录材料（Ge：锗、Sb：锑、Te：碲）广泛用作光盘的记录层。当在记录层上记录信息时，用激光照射结晶记录层的一部分以将照射区域变成非晶态，并且当擦除信息时，施加比记录期间弱的激光以使非晶态晶化。由于非晶态和晶态材料的反射率显着不同，因此可以读取记录的信息。
目前，提高相变记录材料的记录和擦除速度将能够快速记录和擦除大量数据，并且需要阐明其记录机制。此外，为了了解非晶材料和晶体材料之间反射率的差异，正在研究探索每种材料的结构和电子状态。先前的研究表明，非晶材料局域结构的应变程度会影响电子态甚至光学性能的变化，因此有必要通过实验来阐明局域结构。然而，在非晶结构中，原子以非周期性方式排列，使得很难精确地阐明局部结构的细节。因此，需要一种高精度的非晶结构分析方法。
AIST 一直致力于将数学方法应用于材料科学，MathAM-OIL 是在东北大学 AIMR 内建立的，作为这项工作的一部分，AIST 一直在开发一种方法来阐明非晶材料的局部结构。这次，我们开发了局部逆蒙特卡罗方法，这是一种专门用于东北大学AIMR开发的使用超细电子束的埃束电子衍射方法的结构建模方法。
在传统的逆蒙特卡罗方法中，创建包含数千到数万个原子的模型，以重现从整个样品获得的 X 射线衍射图案。由此产生的结构模型的可靠性一直是一个问题，因为具有完全不同特征的结构有时可以再现相同的模式。随着原子数量的减少，能够再现衍射图案的原子排列数量也随之减少，因此新开发的方法使用超细电子束来缩小观察区域，将目标原子数量减少到只有几十个原子，从而可以创建比以前更可靠的模型。基于局部衍射的非晶材料结构建模是前所未有的，并且已应用于相变记录材料。
Ge，一种众所周知的记录层相变记录材料2锑2Te5的结构使用新开发的局部逆蒙特卡罗方法进行建模。一、非晶Ge2锑2Te5薄膜溅射法，由1纳米或更小的微观区域制成扫描透射电子显微镜处测量。从大范围获得的电子衍射图案具有模糊的环形形状，但从局部区域获得的图案显示点状衍射斑点（图1（b）至（d）中箭头所示的亮点）并且具有相对良好的对称性。这些衍射图案类似于具有岩盐型结构的Ge2锑2特5它与晶体的衍射图样相似（图1（a）），但存在一些差异，例如畸变以及外部（高散射角侧）斑点几乎不可见。我们对非晶结构进行建模以重现这些特征。
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图1(a)岩盐结构和典型电子衍射图案（[001]、[011]、[111]方向（米勒指数)
(b)-(d) 与从非晶相变记录材料获得的岩盐型结构相似的衍射图案 |
图2示出了局部逆蒙特卡罗方法的示意图以及由此获得的局部结构模型。首先，将由几十个原子组成的岩盐晶体结构放置在虚拟球体中作为初始结构，原子被逐个随机选择并随机移动。此时，我们将不允许原子发生任何会导致其离开球体的运动，并且我们将使用其他类型的原子运动，从而产生接近于实验中获得的电子束衍射图案。通过重复原子的运动，直到结构模型的电子衍射图案与实验获得的图案几乎相同，获得最终的结构模型。尽管最终的模型保留了类似于岩盐结构的形状，但该结构极度扭曲。最初的岩盐晶体结构是没有变形的立方结构（图2b'），相应的衍射图也显示出以90°角排列的斑点（图2b）。另一方面，在使用所开发的方法获得的模型中，立方体严重扭曲（图2c'），并且相应衍射图案中的斑点之间的角度也偏离90°（图2c）。换句话说，可以看出这个角度偏差是由结构扭曲引起的。同时，外层光斑的强度也减弱，这也是由于应变的原因。从这些结果可以说，结晶结构和非晶结构之间的差异是通过岩盐结构中应变量的差异来表征的。
在具有岩盐结构的晶体中，在每个原子周围产生八面体配位的局部结构，但在非晶态中，主要的局部结构是四面体配位，这不包括在具有岩盐结构的晶体中，并且有一种理论认为反射率由于这种结构的不同而不同。另一方面，还有一种理论认为，反射率的差异可以通过八面体的扭曲来解释，而不考虑四面体，这一直是争论的主题。目前的结果直接证明后一种理论是有效的。
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图2(a)局部逆蒙特卡罗方法示意图
(b) 根据初始结构计算的电子衍射图(b’)
(c) 根据局部逆蒙特卡罗法获得的结构模型(c’)计算出的衍射图案
(d) 实验中测量的衍射图案
(e) 结构模型中的扭曲八面体 (c’)图中黄色球体代表Ge和Sb原子，蓝色球体代表Te原子。另外，图b'、c'、e中的红线均表示岩盐型晶体中存在的03nm以下的原子间键。特别是，图c'和e中的红线表明原子间键比岩盐型晶体中的原子间键极短，并且在图e中可以看出中心八面体发生了极大的扭曲。 （图e为图c'中心部分不同方向的放大图）
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这次开发的非晶材料局部结构建模方法基本上可以应用于任何具有非晶结构的材料。因此，有望有助于提高使用非晶材料的太阳能电池和显示器的性能。
未来，我们会将我们开发的方法应用于其他非晶材料，例如锂离子电池的电极材料，以阐明非晶材料的结构和性能之间的关系。
A Hirata、T Ichitsubo、P Fguan、TFujita 和 MWChen“非晶 Ge-Sb-Te 相变材料中局部原子结构的畸变”Phys。莱特牧师。 （正在印刷中）