相变存储器被认为是下一代非易失性存储器技术最有前途的候选者。Ge₂Sb₂Te₅是目前大家公认的较为成熟并具有广阔应用前景的相变材料。但目前该领域仍然亟待解决许多问题,如结晶温度和晶态电阻较低、结晶速率过慢、对相变内在机理的深入理解不足等,极大阻碍了以Ge₂Sb₂Te₅为存储介质的器件产业化发展。因此,本论文以Ge₂Sb₂Te₅（GST）为研究对象,对相变材料Ge₂Sb₂Te₅结晶过程中的微结构、碳掺杂诱导的相变和物性调控以及Ge₂Sb₂Te₅/Si超晶格薄膜的光学性质做了较深入的研究和探索,主要取得以下结果:（1）通过组合使用变温电阻测量,X射线衍射,拉曼光谱和X射线反射率技术,得到了Ge₂Sb₂Te₅薄膜结晶过程中微观结构变化的特征。基于X射线反射率的测量方法提出了Ge₂Sb₂Te₅表面/界面层的存在。尽管总膜厚度减小,但是由于从非晶态到亚稳态面心立方相,再到转变为稳定六方相,结晶后表面/界面层厚度增加。此外,证实了在热退火过程中GST的平均晶粒尺寸,密度和表面粗糙度的增加。（2）在Ge₂Sb₂Te₅中进行碳掺杂,调控相变行为。研究中使用了两组不同的实验样品,一组是直接掺杂碳元素的GSTC薄膜,另外一组为添加了SiO₂覆盖层的GSTC/SiO₂薄膜。SiO₂覆盖层的作用是抑制碳的氧化。在变温电阻,X射线衍射,X射线光电子能谱和拉曼光谱测量中,观察到GSTC和GSTC/SiO₂薄膜性质之间的巨大差异。研究发现碳的氧化效应不利于改善GST的相变特性。（3）采用光谱椭偏仪技术研究Ge₂Sb₂Te₅/Si超晶格薄膜的光学性质。在非晶态的反射率测量中,发现通过改变膜厚度,光的偏振方向和入射角θ,可以显著改变反射光谱。在非晶态中,超薄膜中Ge原子,在更多的情况下是以四面体配位的形式存在的,而不是以有空位的八面体状配位形式存在。在结晶态中,Ge是以共振成键方式存在,这就导致了光学反射率的演变。