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质子入射锗锑碲相变材料产生的位移损伤模拟

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彭有盛, 张岳鑫, 游盛尧, 肖哲明, 余念念. 质子入射锗锑碲相变材料产生的位移损伤模拟[J]. 物理学报, 2026, 75(17): 170101. doi: 10.7498/aps.75.20260172
引用本文: 彭有盛, 张岳鑫, 游盛尧, 肖哲明, 余念念. 质子入射锗锑碲相变材料产生的位移损伤模拟[J]. 物理学报, 2026, 75(17): 170101. doi: 10.7498/aps.75.20260172
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Yousheng PENG, Yuexin ZHANG, Shengyao YOU, Zheming XIAO, Niannian YU. Simulation of displacement damage induced by proton irradiation in germanium-antimony-tellurium phase change materials[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(17): 170101. doi: 10.7498/aps.75.20260172
Citation: Yousheng PENG, Yuexin ZHANG, Shengyao YOU, Zheming XIAO, Niannian YU. Simulation of displacement damage induced by proton irradiation in germanium-antimony-tellurium phase change materials[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(17): 170101. doi: 10.7498/aps.75.20260172
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质子入射锗锑碲相变材料产生的位移损伤模拟

  • 1.

    武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院(材料与微电子学院), 武汉　430070

  • 2.

    武汉理工大学物理与力学学院, 武汉　430070

    • 作者简介: 第一作者.E-mail: youshengpeng@whut.edu.cn .
    通讯作者: E-mail: niannianyu@whut.edu.cn.

Simulation of displacement damage induced by proton irradiation in germanium-antimony-tellurium phase change materials

  • 1.

    International School of Materials Science and Engineering (School of Materials and Microelectronics), Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

  • 2.

    School of Physics and Mechanics, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

    • Corresponding author: E-mail: niannianyu@whut.edu.cn.

  • 摘要: 锗锑碲(germanium-antimony-tellurium, GST)合金凭借快速可逆的晶态-非晶态相变特性、优异的热稳定性及数据保持能力, 成为相变存储器(phase change memory, PCM)的主流功能存储材料. 随着商用卫星产业的快速发展, 复杂空间环境对相变存储器的可靠性提出严峻挑战, 其中低能质子辐照在相变材料中引发的位移损伤效应, 是影响其存储性能与服役稳定性的关键因素之一. 本文采用Geant4模拟软件, 系统探究了3种主流GST合金在1—1000 MeV质子辐照下的位移损伤效应, 通过模拟质子在靶材中发生的弹性碰撞、非弹性碰撞等物理过程, 获取了初级离位原子(primary knock-on atom, PKA)的相关信息, 以及非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL)的数值与深度分布规律. 研究发现: 1 MeV质子产生的NIEL值最大, 所产生的晶格位移损伤不容忽视; 质子发生核反应的概率随能量升高而增大; 1—100 MeV质子的NIEL深度分布会在射程末端形成明显的布拉格峰, 且峰位随质子能量升高逐渐向前偏移; 200—1000 MeV质子入射后, 因库仑散射截面较小, 其布拉格峰特征不显著, NIEL主要分布在射程前部, 且随质子能量升高呈下降趋势. 引入屏蔽层后, 低能质子在GST层产生的非电离能量损失受屏蔽层材料与厚度的共同调控, 相同厚度下, 钨屏蔽层降低GST层非电离能量损失的效果优于二氧化硅屏蔽层, 当钨屏蔽层厚度达到6 μm时, 可显著降低低能质子在GST层产生的位移损伤.
    Abstract: Germanium-antimony-tellurium (GST) alloys have emerged as dominant functional storage materials for phase change memory (PCM) due to their reversible crystalline-amorphous phase transition, outstanding thermal stability and reliable data retention capability. Driven by the booming development of the commercial satellite industry, PCM devices are confronted with severe reliability threats originating from space radiation environments. Specifically, the displacement damage effect induced by proton irradiation has been regarded as a critical factor deteriorating the storage performance and long-term service stability of phase-change materials. In this work, Geant4 Monte Carlo simulation was adopted to systematically explore the displacement damage effects of three typical GST alloys under proton irradiation in the energy range of 1–1000 MeV. Physical interactions including elastic and inelastic collisions between incident protons and target materials were numerically simulated, and key parameters of primary knock-on atoms (PKAs), the magnitude of non-ionizing energy loss (NIEL) and its in-depth distribution characteristics were quantitatively obtained. The simulation results demonstrate that 1 MeV protons yield the maximum NIEL, leading to non-negligible lattice displacement damage within GST materials. The nuclear reaction probability of incident protons increases monotonically with the elevation of proton energy. For protons with energies of 1–100 MeV, distinct Bragg peaks can be observed at the terminal range in NIEL depth distributions, and the peak positions gradually shift forward as proton energy increases. In contrast, protons with energies of 200–1000 MeV exhibit unremarkable Bragg features due to the reduced Coulomb scattering cross-section. In this energy interval, NIEL is primarily concentrated in the front range and declines with the increase of proton energy. Furthermore, the introduction of shielding layers can effectively modulate the NIEL deposition induced by low-energy protons in GST layers through the synergistic effects of shielding material species and layer thickness. At identical thicknesses, tungsten (W) shielding layers possess a superior NIEL mitigation capability compared to silicon dioxide (SiO2). Notably, a 6 μm-thick tungsten shielding layer can significantly suppress the proton-induced displacement damage in GST alloys.
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  • 图 1  质子入射靶材示意图　(a)薄靶模型; (b)等射程模型; (c)添加屏蔽层的薄靶模型

    Figure 1.  Schematic diagram of proton incidence on target material: (a) Thin-target model; (b) single-range model; (c) thin-target model with shielding layer

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    图 2  质子在Si, GST合金的非电离能量损失值及射程　(a) Si的非电离能量损失; (b) GST合金的射程; (c) GST合金的非电离能量损失; (d)图2(c)中20—1000 MeV范围放大

    Figure 2.  The value of NIEL and ranges of protons in Si and GST alloy: (a) NIEL of Si; (b) range of protons in GST alloy; (c) NIEL of GST alloy; (d) magnified view of Fig. 2(c) for 20–1000 MeV.

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    图 3  PKA能量分布与种类占比　(a) Ge2Sb2Te5PKA能谱; (b) Ge2Sb2Te5PKA占比; (c) Ge1Sb2Te4 PKA能谱; (d) Ge1Sb2Te4 PKA占比; (e) Ge1Sb4Te7能谱; (f) Ge1Sb4Te7PKA占比

    Figure 3.  Energy distribution and species proportion of PKA: (a) PKA energy spectrum of Ge2Sb2Te5; (b) PKA species proportion of Ge2Sb2Te5; (c) PKA energy spectrum of Ge1Sb2Te4; (d) PKA species proportion of Ge1Sb2Te4; (e) PKA energy spectrum of Ge1Sb4Te7; (f) PKA species proportion of Ge1Sb4Te7.

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    图 4  1—1000 MeV质子在GST合金中的NIEL随深度的分布图　(a) 1 MeV质子; (b) 10 MeV质子; (c) 20 MeV质子; (d) 50 MeV质子; (e) 70 MeV质子; (f) 100 MeV质子; (g) 200 MeV质子; (h) 500 MeV质子; (i) 1000 MeV质子

    Figure 4.  Distribution of NIEL of 1—1000 MeV Protons in GST alloy as a function of depth: (a) 1 MeV proton; (b) 10 MeV proton; (c) 20 MeV proton; (d) 50 MeV proton; (e) 70 MeV proton; (f) 100 MeV proton; (g) 200 MeV proton; (h) 500 MeV proton; (i) 1000 MeV proton.

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    图 5  仅库仑散射模型的NIEL随深度的分布图　(a) 10 MeV质子; (b) 20 MeV质子; (c) 50 MeV质子; (d) 70 MeV质子; (e) 100 MeV质子; (f) 200 MeV质子; (g) 500 MeV质子; (h) 700 MeV质子; (i) 1000 MeV质子

    Figure 5.  Depth-dependent distribution of NIEL for only Coulomb scattering model: (a) 10 MeV proton; (b) 20 MeV proton; (c) 50 MeV proton; (d) 70 MeV proton; (e) 100 MeV proton; (f) 200 MeV proton; (g) 500 MeV proton; (h) 700 MeV proton; (i) 1000 MeV proton.

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    图 6  1—100 MeV质子经屏蔽层后GST层的非电离能量损失值比较　(a) Ge2Sb2Te5; (b) Ge1Sb2Te4; (c) Ge1Sb4Te7

    Figure 6.  Comparison of the value of NIEL in GST layers after 1–100 MeV proton transmission through the shielding layer: (a) Ge2Sb2Te5; (b) Ge1Sb2Te4; (c) Ge1Sb4Te7.

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出版历程
  • 收稿日期:  2026-01-31
  • 刊出日期:  2026-09-05

质子入射锗锑碲相变材料产生的位移损伤模拟

    通讯作者: E-mail: niannianyu@whut.edu.cn.
    作者简介: 第一作者.E-mail: youshengpeng@whut.edu.cn
  • 1. 武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院(材料与微电子学院), 武汉　430070
  • 2. 武汉理工大学物理与力学学院, 武汉　430070
  • 收稿日期:  2026-01-31

摘要: 锗锑碲(germanium-antimony-tellurium, GST)合金凭借快速可逆的晶态-非晶态相变特性、优异的热稳定性及数据保持能力, 成为相变存储器(phase change memory, PCM)的主流功能存储材料. 随着商用卫星产业的快速发展, 复杂空间环境对相变存储器的可靠性提出严峻挑战, 其中低能质子辐照在相变材料中引发的位移损伤效应, 是影响其存储性能与服役稳定性的关键因素之一. 本文采用Geant4模拟软件, 系统探究了3种主流GST合金在1—1000 MeV质子辐照下的位移损伤效应, 通过模拟质子在靶材中发生的弹性碰撞、非弹性碰撞等物理过程, 获取了初级离位原子(primary knock-on atom, PKA)的相关信息, 以及非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL)的数值与深度分布规律. 研究发现: 1 MeV质子产生的NIEL值最大, 所产生的晶格位移损伤不容忽视; 质子发生核反应的概率随能量升高而增大; 1—100 MeV质子的NIEL深度分布会在射程末端形成明显的布拉格峰, 且峰位随质子能量升高逐渐向前偏移; 200—1000 MeV质子入射后, 因库仑散射截面较小, 其布拉格峰特征不显著, NIEL主要分布在射程前部, 且随质子能量升高呈下降趋势. 引入屏蔽层后, 低能质子在GST层产生的非电离能量损失受屏蔽层材料与厚度的共同调控, 相同厚度下, 钨屏蔽层降低GST层非电离能量损失的效果优于二氧化硅屏蔽层, 当钨屏蔽层厚度达到6 μm时, 可显著降低低能质子在GST层产生的位移损伤.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 随着商用航天飞行器对非易失性存储器的需求日益迫切, 相变存储器(phase change memory, PCM)凭借高可靠性、高存储密度、单位比特成本低廉与低功耗等突出优势, 成为适配航天应用场景、极具发展潜力的下一代非易失性存储候选器件[1]. 锗锑碲合金(germanium-antimony-tellurium, GST)是PCM的核心功能层, 其是由硫系化合物GeTe和Sb2Te3二者构成的伪二元体系合金, 其通式为(GeTe)m(Sb2Te3)n (m, n是正整数). 其中, Ge2Sb2Te5 (m = 2, n = 1), Ge1Sb2Te4 (m = 1, n = 1), Ge1Sb4Te7 (m = 1, n = 2)是最具代表性的材料, Ge2Sb2Te5以综合性能均衡成为商用基准, Ge1Sb2Te4以高速低功耗为优势, Ge1Sb4Te7则具备超快相变潜力[2].

      在空间辐射环境中, 存在质子、电子、α粒子及各类重离子等大量高能粒子, 其中质子占比超过80%[3]. 对于近地轨道飞行器而言, 其与轨道大气相互作用还会诱发产生更多质子[4]. 高能空间粒子辐照会在电子器件内部引发位移损伤, 进而造成器件电学性能衰减、可靠性降低, 严重时将导致永久性失效[5]. 研究表明, 非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL)与粒子辐照对器件电学性能造成的影响呈正相关, 可用于评估材料的位移损伤程度[6–8]. 有研究利用Geant4蒙特卡罗应用软件包[9,10]对多种化合物半导体材料(SiGe合金、InP、Hg1–xCdxTe、AlxGa1–xN)[4,11–13]的位移损伤效应进行仿真研究, 发现低能质子在材料中的射程较短, 更易产生较高的非电离能量损失, 是影响器件性能的关键因素.

      在PCM器件的辐照效应研究中, Vogel等[14]、Kanda等[15]及Gasperin等[16]开展了一系列离子辐照实验. 研究结果表明, GST合金的晶体结构与相稳定性对位移损伤高度敏感, 非电离能量损失过程是诱发其微观结构转变的核心诱因. Rao等[17]进一步证实, 在10 MeV质子辐照条件下, 晶态Ge2Sb2Te5易受位移损伤影响, 进而引发化学键断裂与空位聚集现象. Zhou等[18]结合质子辐照实验与蒙特卡罗模拟分析发现, 质子辐照会使GST合金的结晶激活能小幅降低、失效寿命缩短. Ali等[19]通过实验测试与仿真模拟验证, 低能中子辐照会促使Ge2Sb2Te5内部产生大量辐照诱导缺陷. 然而, 针对GST合金位移损伤效应的系统性探究仍较为匮乏, 特别是低能与高能质子辐照环境下, 不同伪二元比例GST相变材料中初级离位原子(primary knock-on atom, PKA)演变规律及NIEL参数的关键特征、定量关联机制尚未得到完整阐明.

      本文采用蒙特卡罗计算方法, 开展1—1000 MeV质子辐照下Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4和Ge1Sb4Te7三种相变合金的位移损伤仿真研究. 结合材料内部GeTe与Sb2Te3组分比例差异, 对比分析合金配比对初级离位原子(PKA)与非电离能量损失(NIEL)特性的影响规律, 系统讨论不同能量质子辐照下相变材料中PKA组分类型、能量分布特征以及NIEL沿材料深度的空间分布规律. 在此基础上, 选取位移损伤较为严重的1 MeV质子工况, 通过引入屏蔽防护结构开展针对性抗辐照优化分析. 相关研究结果可为空间辐射环境下GST基PCM器件的辐照损伤机理研判、抗辐照结构优化及在轨可靠性提升提供基础理论依据与仿真数据支撑.

    2.   研究过程

      2.1.   物理模型的选择

    • 本研究仿真工作基于Geant4 11.2.2版本蒙特卡罗软件包开展数值计算. 在剖析高能粒子与靶材相互作用诱发位移损伤的过程中, 核心物理机制主要涵盖弹性碰撞与非弹性碰撞两类过程, 其中非弹性碰撞包含质子俘获、核反应等典型作用形式. 在弹性碰撞过程中, 入射高能质子与靶材晶格内部原子核发生直接碰撞, 致使晶格原子脱离原有平衡晶格位置, 进而生成弗仑克尔(Frenkel)缺陷对, 破坏相变材料内部完整晶格结构. 非弹性散射过程所生成的高能核反应产物, 与弹性碰撞过程产生的初级离位原子诱发位移损伤的物理机理一致, 因此统一归类为PKA[4,12,13]. 高能PKA会持续与周边晶格原子发生二次弹性碰撞, 诱发连锁级联碰撞效应, 持续衍生生成大量弗仑克尔缺陷对、位错环及空位团簇等多类型微观缺陷[20]. 级联碰撞的作用范围与演化尺度由PKA初始能量直接决定, 高能量等级PKA更易在材料内部形成纳米尺度团簇缺陷, 最终加剧相变合金整体位移损伤效应.

      模拟中选用的强子物理模型为QGSP_BIC_HP模型, 该模型涵盖了弹性、非弹性散射和原子嬗变, 以及中能核内级联碰撞、电离和韧致辐射等物理过程. 低能条件下, 电磁物理过程选用G4 ScreenedNuclearRecoil类[21](屏蔽库仑散射模型), 模拟反冲原子对于核阻止的本领, 能有效地模拟出质子在靶材中的位移损伤.

      • 2.2.   非电离能量损失(NIEL)计算公式

    • 不同种类、能量的粒子辐照靶材产生的位移损伤, 均可用NIEL[8]进行量化比较, 单位为MeV·cm2/g. NIEL的具体计算公式为[22]

      式中, $ {N}_{\text{A}} $为阿伏伽德罗常数; A为靶原子质量数; $ {\sigma }_{\text{i}}\left(E\right) $为原子的反应截面; $ {E}_{\text{dam}}\left(T\right) $为能量为T的反冲原子的位移损失能量部分. 对于$ {E}_{\text{dam}}\left(T\right) $, 采用Robinson和Torrens [6], 以及Akkerman和Barak [7]修正的Lindhard分离函数$ {Q}(T) $可得:

      其中, A1, A2和Z1, Z2分别为PKA和靶原子的原子序数及质量数.

      对于化合物材料A2, Z2要进行相应的处理[12,23]:

      本文选取的Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7的$ {A}_{2} $和$ {Z}_{2} $分别为49, 118.45, 50, 121.05, 51, 122.89.

      通过上述公式可将NIEL公式推导得[22]

      式中, $ \rho $为靶材料密度; $ x $为材料厚度, $ {E}_{\text{dam}}\left(T\right) $为反冲原子的非电离损伤能$ {T}_{\text{dam}}\left(T\right) $为能量为T的反冲原子的平均位移损失能量部分, $ n $为入射原子数量. Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7的密度$ \rho $分别为6.14644, 6.2454, 6.3197 g/cm3.

      • 2.3.   仿真设置与验证

    • 本文通过CREME96程序提取近地轨道空间真实质子辐照能谱, 结果表明轨道环境有效质子能量主要集中在1—1000 MeV范围内[24], 因此本研究仿真质子能量区间设定为1—1000 MeV. 如图1所示, 本文研究共采用3种模型: 薄靶模型、等射程模型以及添加屏蔽层的薄靶模型. 薄靶模型即采用薄靶近似的方法, 靶材厚度取质子在GST合金射程的1/10, 通过随机函数以面源的形式发射106个质子轰击靶材, 获取3种GST合金在不同质子能量下的NIEL值.

      等射程模型即靶材厚度略大于质子在GST合金的射程, 确保质子能量完全耗尽, 以面源的形式发射105个质子, 获取PKA的种类占比、能量分布及完整的NIEL随深度分布规律.

      相变存储器中, GST功能层并非单独暴露于空间环境. 器件单元一般包含钨(W)上下电极、二氧化硅(SiO2)绝缘层与相变功能层等多层结构. 其中, W电极与SiO2绝缘层均可对相变功能层起到辐照屏蔽作用, 可等效为天然屏蔽层. 为探究屏蔽层材料种类及厚度对低能质子辐照下GST合金位移损伤效应的影响, 本文选取200 nm, 6 μm两种厚度的SiO2与W作为屏蔽结构, 通过对比不同条件下的NIEL变化规律, 分析屏蔽层材料与厚度对屏蔽防护性能的调控作用.

      本文通过薄靶模型将质子轰击硅所得的NIEL与白雨蓉等[11]、Jun等[25]的数据进行对比, 数据基本符合, 如图2(a)所示. 该结果表明, 仿真的物理模型与模拟方法可靠有效, 可用于1—1000 MeV质子辐照下GST合金的位移损伤研究. 结果的差异可能是由于本文仿真引入了屏蔽库仑散射和Lindhard理论修正, 使得在低能情况下获取的NIEL值略高于文献数据. 通过SRIM软件[26]获取不同能量质子在GST合金中的射程, 如图2(b)所示, 从图中可知3种GST合金中相同能量质子的射程几乎一致, 故取同等厚度进行NIEL的比较. 图2(c), (d)模拟了Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7, GeTe及Sb2Te3的NIEL随入射质子能量的分布, 结果表明3种GST合金的NIEL值位于Sb2Te3和GeTe之间, 随着GeTe占比下降, Sb2Te3占比上升, NIEL值呈下降的趋势. 这是因为相比于Sb2Te3, GeTe的平均原子序数更低, 质子与靶原子的碰撞能量传递效率更高, 位移损伤对应的非电离能量损失更强.

    3.   结果与讨论

      3.1.   质子在GST合金中产生PKA的能谱与占比

    • 本文通过等射程模型获取了入射质子在3种GST合金中PKA的能量以及种类信息. 排除了电子、Gamma等对NIEL无显著贡献的粒子, 仅分析质子数或中子数大于等于1的PKA, 得到PKA在1 keV—10 MeV能量范围的能谱图与PKA占比图, 如图3所示. 图3(a), (c), (e)分别为3种GST合金PKA的能谱图, 纵轴代表其能量分布概率密度. 可以看出相同能量质子在3种GST合金的能谱图较为类似, 总体分布向低能段1—10 keV以及高能段100 keV—10 MeV扩张, 随着质子能量的上升高/低能段的概率上升.

      从图3(c), (e)可看出10 MeV曲线存在断点, 断开部分为质子的能量分布, 说明Ge1Sb2Te4和Ge1Sb4Te7在10 MeV时PKA中出现极少部分次级质子, 这可能是由于Sb2Te3组分占比提升, 核反应截面增大, 非弹性散射概率提升, 使非弹性散射产生的次级质子能量分布更广. 随着质子能量的增大, 非弹性散射反应概率逐渐增大, 取代弹性散射过程占据主体地位[13], 核反应PKA占比不断上升能谱分布更广, 相较于1 MeV的能量区间频率有所下降.

      图3(b), (d), (f)为不同能量质子在GST合金中产生的PKA占比图, 纵轴代表某元素PKA与PKA总数的比例. 在1 MeV低能段, 质子在GST合金中只发生弹性碰撞与库仑散射, 无强子过程. 此时Ge, Te, Sb PKA均为弹性碰撞产物, Ge相较于Te, Sb更容易被质子碰撞出晶格点位置产生Ge PKA, 这是由于Ge原子核电荷数与原子质量低于Sb, Te, 质子与低核电荷数、低质量原子核碰撞时能量传递效率更高, 更易克服原子离位阈值, 从而导致Ge PKA产出占比更高. 随着能量升高质子与靶材原子碰撞时核反应PKA种类高达几十种, 且Ge, Sb, Te PKA不完全由弹性碰撞产生, 可通过(p, n), (p, 2 n), (p, pn), 复合核裂变或散裂反应等反应仅改变中子数或使其进入激发态(Ge70[1215.540], Sb118[31.260], Te121[293.974]等). 这些PKA仍属于Ge, Sb, Te PKA, 此时核反应PKA主要是质子、Ge同位素、Sb同位素、Te同位素等. 在500 MeV及以上时, 此时次级质子占比超过了其他3个靶原子的占比, 说明随着能量的升高质子在GST合金内发生的级联碰撞会更加剧烈, 核反应产生了超过半数的PKA. 这与文献[7]报道的趋势类似, 且GST合金受到高能质子辐照时更易发生核反应产生次级质子.

      综上可知, 随着质子能量的增大, 非弹性碰撞概率增大, 逐渐取代弹性碰撞, 成为质子与GST合金相互作用的主要方式. 不同能量区间的PKA在组成、占比和能量分布上呈现显著差异: 低能(1 MeV)以Ge, Sb, Te PKA为主要构成, 高能(500—1000 MeV)以次级质子占比最高. 这种差异直接影响位移损伤的起始与演化过程, 为后续分析GST合金的NIEL和辐照损伤机制提供PKA层面的关键依据.

      • 3.2.   不同能量质子轰击GST的位移损伤分析

    • 基于上述对质子入射GST合金的PKA信息, 进一步探究PKA在GST合金中的NIEL值与入射深度的关联. 按质子射程划分成30个等距的区间, 得到不同能量质子在3种GST合金中产生NIEL的深度分布趋势, 如图4所示. 由于700 MeV趋势类似未展示. 3种GST合金的NIEL分布趋势类似, 说明GeTe和Sb2Te3的占比对NIEL的深度分布影响较小. 质子能量为1—100 MeV时, NIEL随深度的增大缓慢上升, 在射程末端急剧升高达到最大值后, 有一个巨大的回落, 形成明显的布拉格峰[4,11,13], 如图4(a)—(f)所示. 原因在于入射质子的能量损失与质子动能是反比关系, 接近射程末端, 质子动能非常小而库仑弹性散射发生的概率急剧升高使得非电离能量损失最大. 比较相同深度占比(质子入射深度与射程的比值)处的NIEL值, 发现NIEL值随质子能量的增大而减小, 而后再逐渐趋于稳定. 推论可知, 对于相同厚度的薄靶, 1 MeV质子产生的NIEL值远高于10—1000 MeV质子产生的NIEL值. 由于低能质子以弹性库仑散射为主, 能量主要沉积于靶材内部, 产生的PKA对位移损伤的贡献更显著; 而高能质子能量传递路径更分散, 位移损伤效率降低, 进一步说明在相变存储器抗辐射加固设计中, 低能质子诱发的位移损伤不容忽视.

      质子能量为200—1000 MeV时, 分布曲线呈现出另一种形状, NIEL随着深度的增大而缓慢下降, 布拉格峰不明显, 如图4(g)—(i)所示. 这是由于高能质子入射过程中, 在射程前端产生大量核反应PKA, 贡献了大量的损伤能, 导致趋势改变[13]; 同时, 高能粒子的纵向射程歧离加剧, 进一步驱动能量沉积区间向材料近表面偏移. 故随着入射质子能量上升, 布拉格峰位置由射程末端逐步向表层迁移, 损伤富集区域随之前移.

      为揭示低/高能质子的NIEL值随深度分布的差异, 通过仅库仑散射模型来获取NIEL值与深度的关系, 如图5所示. 由于1 MeV的质子产生的非电离能量损失绝大多数由库仑散射提供, 故不再展示, 如图4(a). 在低能情况下, 库仑散射产生的NIEL占绝大部分, 故布拉格峰明显, 如图5(a)—(e)所示. 这与文献[7, 13]报道的结论是相同的.

      较高能质子(200—1000 MeV)库仑散射的贡献随着能量升高而下降, 如图5(f)—(i)所示. 说明此时的强子物理模型对应的核反应截面显著上升, 由强子过程贡献的NIEL占据主导地位. 值得注意的是, 在靶材前端, NIEL值几乎由非弹性碰撞产生的PKA所贡献, 而通过库仑散射机制产生的PKA较少, 贡献的NIEL急剧衰减, 其占比可忽略不计. 入射质子在向靶材内部贯穿的过程中, 通过弹性散射与非弹性散射协同作用产生PKA, 但多数高能质子在射程前端通过强子过程发生能量沉积与核相互作用, 无法抵达射程末端, 仅有少量质子能够在历经多轮级联碰撞并沉积大部分能量后, 入射至靶材末端区域. 说明高能质子更易在表面发生核反应, 导致绝大多数高能质子在浅层区域完成能量沉积与核相互作用, 仅少量粒子经多级能量耗散后到达靶材深部, 进而使库仑散射主导的布拉格峰被强子过程的NIEL分布掩盖, 宏观表现不显著.

      综上, 随着质子能量升高, 强子过程愈发显著, 非弹性碰撞产生的PKA数目随质子能量增加逐渐开始占主导地位, 这与图3(b), (d), (f)中出现PKA种类分布产生差异相互对应, 核反应PKA主要在材料表面产生.

      • 3.3.   不同屏蔽层对GST层中非电离能量损失的影响

    • 为明确添加W或SiO2屏蔽层时质子在GST层中产生的NIEL影响规律, 通过添加屏蔽层的薄靶模型, 获取质子在GST层产生的NIEL值, 如图6(a)—(c)所示. 由于高能质子射程过大, 对薄靶模型的NIEL影响较小, 因此仅考虑1—100 MeV质子的情况. 图6给出了不同厚度的W和SiO2屏蔽层对质子在3种GST合金中产生的NIEL随质子能量的变化曲线. 当屏蔽层为200 nm时, 在低能情况下库仑弹性散射的反应截面高, 质子在屏蔽层中引发库仑弹性散射等物理过程时, 沉积部分能量并撞出PKA. 该PKA与质子共同入射至GST层后, 使GST层内产生的非电离能量损失增大, 说明当屏蔽层较薄时, 无法有效防护.

      当屏蔽层厚度为6 μm时, 不同屏蔽层材料对GST层中NIEL的影响表现出显著差异. 屏蔽层为SiO2时, GST层的NIEL值升高. 原因是低能质子穿过SiO2层进入GST层时仍具有较高的动能, 同时质子在屏蔽层中通过库仑散射产生大量PKA, 两者的协同作用使得NIEL值上升. 与之相反, 6 μm的W屏蔽层可显著降低1 MeV质子在GST层中的NIEL. 原因是W的高原子序数与高密度特性, 使其内部的核阻止本领显著增强, 绝大多数低能质子在W层中通过弹性散射完成能量沉积并滞留, 仅少量低能质子与PKA穿透至GST层, 有效抑制了位移损伤的产生, 实现对GST层的防护.

    4.   结　论

    • 本文采用蒙特卡罗模拟方法, 研究了1—1000 MeV质子在Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7三种合金中引发的位移损伤效应. 结合NIEL值随质子能量的演化规律, 进一步分析了PKA能谱、各成分占比及NIEL的深度分布特征, 阐释了伪二元GST合金中GeTe与Sb2Te3占比变化导致NIEL值改变的内在原因. 研究表明, 1 MeV质子产生的NIEL值最大, 高于其他能量质子所产生的晶格位移损伤.

      GST合金成分占比与质子能量共同影响位移损伤的程度与特征. 在Ge2Sb2Te5, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7合金体系中, 随GeTe占比降低、Sb2Te3占比升高, NIEL值呈现下降趋势; 质子能量越高, 其发生核反应的占比越高, PKA的种类也越丰富, 且Ge2Sb2Te5产生次级质子所需的能量较Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7高出约10 MeV. 低能条件下弹性碰撞占主导作用, 高能条件下质子发生核反应的概率则逐步提升并占据主导地位.

      质子能量对NIEL深度分布特征具有显著调控作用, 且不同能量区间呈现差异化规律. 1—100 MeV质子辐照GST合金时, 相同相对深度处的NIEL值随质子能量升高而减小, 且均会在质子射程末端形成布拉格峰; 在200—1000 MeV质子辐照条件下, NIEL的分布随质子能量升高逐渐向射程前部偏移, 因库仑散射截面相对较小, 布拉格峰并不明显.

      屏蔽层材料与厚度可调控GST合金抗质子辐照性能, 且不同屏蔽材料防护能力差异显著. 在屏蔽层厚度相同的条件下, 低能质子辐照时, 钨屏蔽层降低GST层非电离能量损失的效果优于二氧化硅屏蔽层, 体现出不同材料的质子屏蔽能力存在显著差异; 当钨屏蔽层厚度增至6 μm时, 大部分入射低能质子的能量会沉积于屏蔽层内部, 可有效降低传递至GST层的非电离能量损失, 进而显著提升GST合金对低能质子的抗辐照性能. 基于本文研究基础, 未来可进一步结合分子动力学模拟与器件级辐照实验, 深入探究辐致缺陷的演化动力学及其对PCM器件可靠性(如疲劳寿命、电阻漂移)的影响机制, 为航天级PCM器件的抗辐照加固提供更完整的理论依据.

    参考文献 (26)

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