探索外延生长相变材料 Ge$_2$Sb$_2$Te$_5$ 的次表面原子结构

采用扫描隧道显微镜（STM）与谱学（STS）结合密度泛函理论（DFT）计算，研究了通过分子束外延生长的相变材料 Ge$_{2}$Sb$_{2}$Te$_{5}$ 亚稳相的表面与次表面性质。(111) 表面被完整的 Te 层覆盖，但这仍然允许探测由 Ge 和 Sb 原子组成的更为无序的次表面层。核心是，我们发现次表面层的有序程度显著高于亚稳态 Ge$_{2}$Sb$_{2}$Te$_{5}$ 的预期。首先，我们表明次表面层内几乎没有空位。其次，通过价带起始的空间变化追踪的势能涨落，显著小于次表面层中原子和空位随机分布的预期。该涨落的强度与带电受主子的势分布相容，且不受其他类型缺陷的影响。第三，DFT 计算预测在无序次表面层内存在部分四面体 Ge 键合，在态密度中表现为靠近导带起始处的一个峰，这是一个清晰的指纹特征。该峰在 STS 数据中缺失，意味着不存在四面体 Ge，这可能是由于较短的四面体 Ge 键周围结构弛豫所需的空位缺失所致。最后，通过比较 STM 和 DFT 数据，识别出密度约为 $~10^{-4}$/nm$^2$ 的孤立缺陷构型，这证实了由空位层的形成所驱动的外延薄膜中显著改善的有序性。