伴随着信息化时代的来临,人类数据量的暴增和计算机技术的迅猛发展对信息存储器的容量和速度提出了更高的要求。基于相变材料的相变存储器（PCM）被认为是解决这一需求的有效方案。作为相变材料中性能优异的一员,Ge-Sb-Te超晶格材料（GST-SL）不仅可以提高PCM的速度和功耗,而且具备拓扑绝缘等特殊性质。科研人员对GST-SL材料的结构及性质开展了大量研究工作,但关于GST-SL的相变机制还未形成统一理论。基于此,本文采用实验和模拟相结合的方法开展了相关研究。首先,采用脉冲激光诱导非晶GST-SL薄膜晶化,进行工艺筛选并表征薄膜结晶前后的结构和光学性能变化;然后,通过有限元模拟和分子动力学分别探究GST-SL在纳秒激光辐照下的温度场变化和结晶动力学行为;最后,基于实验和模拟结果,探讨GST-SL的超快相变机制。首先,采用皮秒脉冲激光诱导非晶GST-SL薄膜晶化,通过观察薄膜的光学形貌变化,最终发现亚层厚度为4纳米的GST-SL薄膜结晶质量最好且结晶阈值低于普通Ge₂Sb₂Te₅（GST）薄膜;TEM测试结果表明,在皮秒脉冲激光辐照下,GST-SL的晶粒比GST更细,并且GST-SL结构的稳定性更强;通过XRD测试发现:GST-SL在纳秒激光辐照下结晶阈值比GST低57%;拉曼测试表明,较多的GeTe₄结构可能是GST-SL相变性能提升的原因;光谱测试结果表明,晶态GST-SL薄膜的光学性能优于GST。通过有限元方法模拟相变薄膜在纳秒激光辐照下的温度场变化,获得了不同能量密度对应的温度-时间曲线,GST-SL和GST的结晶阈值分别对应700 K和1200 K;采用分子动力学模拟了GST-SL和GST原子模型的升温过程,GST-SL展现出了更好的层结构稳定性,且于1400 K左右结构变化较大;随后在非晶化模拟中发现:三个GST-SL模型均出现Sb原子跳入Te-Te层的现象,且Kooi-mix模型的层结构最稳定;而在结晶模拟中发现Kooi-mix和Petrov-mix模型均可以在几个皮秒内回到初始晶态位置,而GST模型的结晶时间在150皮秒以上;最后,综合以上模拟结果推测:GST-SL中稳定的层结构是其相变性能提升的原因,而Sb原子在Te-Te层的跳跃行为是揭开GST-SL相变机制的关键。本文通过实验和模拟探究了GST-SL的结晶特性,阐明了GST-SL薄膜结构的优越性,发现了GST-SL原子模型中的Sb原子跳跃行为,这对探究相变材料的机制和优化相变存储器具有重要的指导意义。