三维硅基电子器件发展至今已成功微缩至3纳米，但进一步小型化面临更严峻的挑战。三方相晶态碲（碲），作为典型一维范德华材料，由范德瓦尔斯力相连的螺旋链排列而成，能够剥离出1纳米×1纳米横向尺寸的单个原子链，展现出极大的微缩潜力。2022年上海微系统所宋志棠、朱敏研究团队在Science期刊发表的文章（J. Shen et al., Science, 2021, 374, 1390）首次揭示了单质碲具有开关特性，能够在纳秒级时间内实现晶态-液态的快速转变，且具备高疲劳性和高驱动力等关键性能，成为三维高密度存储器选通单元的有力候选。然而，这种超快相变开关特性的内在机制仍然不明晰，极大程度上制约了高密度存储技术的优化设计与进一步发展。

图1 单质碲器件微观结构及电学开关性能。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、朱敏研究团队，联合清华大学、复旦大学、英国剑桥大学，通过球差透射电镜技术和电学测试手段（图1），直接观测到器件内部的晶态碲螺旋链状结构，并验证了其在8-15纳秒内实现超快电学开关响应的能力。为进一步解释其纳秒级超快开关机制，研究团队结合原位高能同步辐射X射线衍射实验和从头算分子动力学模拟，发现三方晶体碲在加热至450℃时完全熔化为液相，并在温度降低到380℃时重新结晶为三方相，且在相变过程中未出现其他晶相（如菱形相）。这直接证实了碲中基于晶态-液态-晶态相变的电开关过程。进一步的原子尺度熔化-淬火模拟显示（图2），液态碲能够在25皮秒内快速重结晶。这种超快结晶能力可归因于由于淬火过程中peierls畸变的延迟，从而在更宽的温度范围内保持较高的原子迁移率。本工作阐明了碲作为相变开关的内在作用机制，为开发基于晶体-液体-晶体相变的超高速选通技术开辟了道路。

图2 单质碲液态-晶态转变过程以及金属-半导体能带变化。

该工作在2024年8月29号以题为“Nanosecond Phase-Transition Dynamics in Elemental Tellurium”发表在Advanced Functional Materials (2024, 2408725)期刊上。上海微系统所博士生孙玉婷、清华大学博士后李博文为共同第一作者，上海微系统所朱敏研究员、宋志棠研究员以及清华大学李黄龙教授为通讯作者，中国科学院上海微系统所为该研究第一完成单位和通信单位。该工作得到国家优秀青年基金（62322411）、中国科学院人才计划、上海科技启明星（21QA1410800），中国科学院先导B（XDB44010200）项目，国家自然科学基金（62204053）等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408725