人工智能等数据密集型产业的发展,对数据的存储介质和处理介质提出了极高的要求。作为利用材料相变产生的电阻差来进行数据存储的PCRAM（Phase-change random access memory）因为其所具有的较好的性能优势有望应用于非冯诺依曼计算架构中。这就对PCRAM性能提出了更高的要求,不仅需要进行数据存储,同时还需要承担计算任务。然而,目前的PCRAM器件在可逆相变过程中的电阻具有较大噪声和漂移,从而影响其应用。最近出现了一种新型的相变异质结（Phase-change heterostructure,PCH）,通过在相变层Sb₂Te₃（ST）层中嵌入TiTe₂（TT）层,来限制元素迁移,极大改善了阻值稳定性。PCH存储器件具有较快的相变速度、较低的噪声、较长的循环寿命、能稳定保持多个阻态等一系列优异的性能,应用前景非常广阔。但是为了进一步提升其性能,保证实现其大规模应用,需要以如下问题的解决为前提。比如与其循环寿命紧密相关的失效机制、与其相变速度和低噪声紧密相关的相变机制以及其具有多个中间态的原因等。这些微观结构问题的探究难以通过宏观测试手段实现而依赖于原位技术。目前针对器件单元或者薄膜材料特定区域进行原位观测还未有现成的解决方案。因此,我们发展了针对具有复杂结构的PCH器件单元与薄膜材料制备无损原位通电样品的方案,利用先进的结构表征手段以及原位技术,同时结合二维有限元模拟的方法对PCH进行了原位电学研究,探究了其电驱动微观结构演变过程、失效机制、循环稳定性和相变的非均一特性。具体成果与结论如下:1、我们开发了一种针对具有复杂结构的PCH器件单元与薄膜材料制备无损原位通电样品的方案,保证了既能针对特定区域实现通电,又能在原子尺度进行观测。为原位揭示其电驱动相变机制提供了保证。2、PCH存储单元的失效机制与其循环寿命紧密关联,但是其失效过程中的微观结构变化还不清晰。本文利用原位手段探究了PCH存储材料失效过程中的结构变化和元素迁移等问题,同时利用二维有限元模拟探究了原位通电过程中热动力学转变机制以及温度场对相变失效的影响,解释了直流通电容易造成PCH器件单元失效和脉冲电流能够实现RESET过程的原因。通过对整个通电过程的模拟,我们对热场分布随时间尺度的变化以及局域温度的变化过程有了进一步了解,这对优化原位实验方案,选择较为合适的实验参数具有重要指导意义。3、基于热场模拟,我们优化实验参数并原位实现了PCH存储材料的电驱动可控相转变,包括RESET和SET过程、非完全失效和完全失效过程。同时观察到了该动态过程中的结构变化。从微观结构上揭示了PCH存储材料的电驱动微观结构演变过程、失效机制、循环稳定性和相变的非均一特性。以上结果有助于进一步探究多个中间态的演变过程,以及相变过程中的晶核的形成生长机理等问题。同时为后续进一步开展材料优选、器件性能提升等工作提供了可能的支持。