شماره مدرك
20675
شماره راهنما
17776
پديد آورنده
هاماني جزي، مسلم
عنوان
شبيه سازي ميدان فاز استحاله فازي كريستال-آمورف آلياژ GST با در نظر گرفتن اثرات مكانيك و جريان ترموالكتريك
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
طراحي كاربردي (جامدات)
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
74 ص
توصيفگر ها
روش ميدان فاز , آلياژ GST , استحاله فازي كريستال-آمورف , اثر ترموالكتريك , ولتاژ بحراني
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/24
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/08/24
كد ايرانداك
23182293
چكيده فارسي
مواد تغييرفازدهنده بهويژه آلياژهاي كالكوژن، به دليل ويژگيهاي منحصربهفرد خود، در كاربردهاي مختلفي از جمله فناوريهاي حرارتي، الكتريكي و اپتيكي مورد استفاده قرار ميگيرند كه نمونه آن آلياژ سهگانه GST (تركيب ژرمانيوم، آنتيموان و تلوريوم) بهعنوان يكي از عناصر اصلي در ساخت حافظههاي تغييرفازدهنده مطرح شده است. ويژگي بارز اين آلياژ توانايي آن در تغيير فوري و برگشتپذير ساختار از شكل كريستالي به آمورف و بالعكس است كه باعث جلب توجه پژوهشگران بهسوي آن گرديده است. در اين تحقيق، مدل ميدان فاز بهعنوان يك رويكرد نوآورانه به همراه تأثيرات مكانيكي مانند فشار و تنشهاي الاستيك و غيرالاستيك براي تحليل رفتار تغيير فاز و بيشكلي GST استفاده شده است. در اين پژوهش، انرژي آزاد در مدلهاي ميدان فاز براي اين آلياژ در كنار ترمهاي اصلي همچون ترم دوچاهه و حرارتي، اثرات مكانيكي و كرنشهاي ايجاد شده در فرايند استحاله نيز، بهبود قابلتوجهي در دقت شبيهسازيها، نحوه اعمال ولتاژ و درك پديدههاي بيشكلي و كريستالي ايجاد ميكند. همچنين براي بررسي اثرات ترموالكتريك ناشي از اعمال ولتاژ بر روي نانولايه GST ، علاوه بر معادلات ميدان فاز و الاستيسيته، از معادلات هدايت حرارتي و پواسون براي مدلسازي تأثيرات ترموالكتريك استفاده ميشود. به كمك اين روش، نحوه تغييرات دما و بهتبع آن استحاله كريستالي و بيشكلشدن در برابر ولتاژ بهدقت تحليل شده و ولتاژ بحراني براي پديده كريستالي شدن براي ضخامتهاي مختلف 10، 25، 50، 75 و 100 نانومتر و زمان پالس الكتريكي 10، 25، 50، 80 و 100 نانوثانيه تعيين گرديد. ولتاژ بحراني ولتاژي است كه با اعمالكردن ولتاژي بالاتر از آن دماي نمونه بالاتر از دماي ذوب رفته و استحاله معكوس رخ ميدهد. از نتايج مهم ميتوان به استخراج نحوه تغييرات ولتاژ بحراني برحسب زمان پالس اشاره نمود كه روندي معكوس را بهازاي هر ضخامت نشان ميدهد. همچنين بهازاي زمان پالس ثابت، نحوه تغييرات ولتاژ بحراني برحسب ضخامت نيز استخراج شده است بيانگر رابطه خطي افزايشي بين ولتاژ بحراني و ضخامت است كه نرخ تغييرات ولتاژ بحراني برحسب ضخامت با افزايش زمان پالس بهصورت غيرخطي كاهش مييابد. تغييرات ميدانهاي توزيع فاز، دما، ولتاژ و تنش براي ضخامتهاي مختلف استخراج شده است و نتايج آن با يكديگر مقايسه گرديد. همچنين مشخص گرديد كه نرخ رشد كريستال مستقل از ضخامت است و وابسته به زمان پالس است. مطالعه مش بر اساس چهار پارامتر مهم ماكزيمم تنش، درصد حجمي كريستال، ضخامت صفحه مشترك و ماكزيمم دما براي استحصال نتايج مستقل از مشبندي نيز صورت گرفته است. همچنين پروفيل صفحه مشترك فازي كريستال-آمورف با نتايج تحليلي صحتسنجي شده است. اين رويكرد جديد با تركيب مدل ميدان فاز و لحاظ كردن اثرات مكانيكي و ترموالكتريكي، ميتواند به درك عميقتري از رفتار آلياژهاي تغييرفازدهنده منجر شده و پيشرفتهاي قابلتوجهي را در توسعه فناوريهاي جديد ايجاد كند.
چكيده انگليسي
Phase-change materials, particularly chalcogenide alloys, are utilized in various applications, including thermal, electrical, and optical technologies, due to their unique properties. An example is the ternary GST alloy (a combination of germanium, antimony, and tellurium), which has emerged as one of the primary elements in the fabrication of phase-change memories. The distinctive feature of this alloy is its ability to rapidly and reversibly switch its structure from crystalline to amorphous and vice versa, which has attracted significant attention from researchers. In this study, the phase-field model, as an innovative approach, along with mechanical effects such as pressure and elastic and inelastic stresses, has been employed to analyze the phase-change behavior and amorphization of GST. In this research, the free energy in phase-field models for this alloy, in addition to primary terms such as the double-well and thermal terms, also incorporates mechanical effects and strains generated during the transformation process, leading to substantial improvements in simulation accuracy, voltage application methods, and understanding of amorphization and crystallization phenomena. Furthermore, to examine the thermoelectric effects resulting from voltage application on the GST nanolayer, heat conduction and Poisson equations are used for modeling thermoelectric influences, in addition to the phase-field and elasticity equations. Using this method, the patterns of temperature variations and, consequently, crystalline transformations and amorphization in response to voltage have been precisely analyzed, and the critical voltage for the crystallization phenomenon has been determined for various thicknesses of 10, 25, 50, 75, and 100 nanometers, as well as electrical pulse durations of 10, 25, 50, 80, and 100 nanoseconds. The critical voltage is defined as the voltage above which the sample temperature exceeds the melting point, resulting in reverse transformation. Among the key results, the extraction of critical voltage variations with respect to pulse duration can be highlighted, which exhibits an inverse trend for each thickness. Additionally, for a fixed pulse duration, the variations in critical voltage with respect to thickness have been derived, indicating a linear increasing relationship between critical voltage and thickness, where the rate of change in critical voltage with respect to thickness decreases nonlinearly as pulse duration increases. Variations in the distribution fields of phase, temperature, voltage, and stress for different thicknesses have been extracted and compared. It was also determined that the crystal growth rate is independent of thickness and dependent on pulse duration. A mesh study based on four important parameters—maximum stress, crystal volume percentage, interface thickness, and maximum temperature—has been conducted to obtain mesh-independent results. Moreover, the crystal-amorphous phase interface profile has been validated against analytical results. This novel approach, by integrating the phase-field model and accounting for mechanical and thermoelectric effects, can lead to a deeper understanding of the behavior of phase-change alloys and foster significant advancements in the development of new technologies.
استاد راهنما
مهدي جوان بخت
استاد داور
صالح اكبرزاده , محمد سيلاني