stringtranslate.com

Халькогенидное стекло

Халькогенидное стекло (произносится как hard ch как в химии ) — это стекло, содержащее один или несколько тяжелых халькогенов ( сера , селен или теллур ; полоний также является тяжелым халькогеном, но слишком радиоактивен для использования). Халькогенидные материалы ведут себя несколько иначе, чем оксиды, в частности, их меньшая ширина запрещенной зоны обуславливает очень разные оптические и электрические свойства.

Классические халькогенидные стекла (в основном на основе серы, такие как As-S или Ge-S ) являются сильными стеклообразователями и обладают стеклами в больших концентрационных областях. Стеклообразующие способности уменьшаются с увеличением молярной массы составляющих элементов; т. е. S > Se > Te.

Халькогенидные соединения, такие как AgInSbTe и GeSbTe, используются в перезаписываемых оптических дисках и устройствах фазовой памяти . Они являются хрупкими стеклообразователями: контролируя нагрев и отжиг (охлаждение), их можно переключать между аморфным (стеклообразным) и кристаллическим состоянием, тем самым изменяя их оптические и электрические свойства и позволяя хранить информацию.

Химия

Наиболее стабильные бинарные халькогенидные стекла являются соединениями халькогена и элемента 14 или 15 группы и могут быть образованы в широком диапазоне атомных соотношений. Известны также тройные стекла. [1]

Не все халькогенидные составы существуют в стеклообразной форме, хотя можно найти материалы, с которыми эти не образующие стекло составы могут быть сплавлены для образования стекла. Примером этого являются стекла на основе сульфида галлия. Сульфид галлия (III) сам по себе не является известным стеклообразователем; однако с сульфидами натрия или лантана он образует стекло, сульфид галлия-лантана (GLS).

До недавнего времени считалось, что халькогенидные стекла (ChG) являются преимущественно ковалентно связанными материалами и классифицируются как ковалентно-сетчатые твердые тела . Самое последнее и чрезвычайно всестороннее университетское исследование более 265 различных элементарных составов ChG, представляющих 40 различных элементарных семейств, теперь показывает, что подавляющее большинство халькогенидных стекол точнее определяется как преимущественно связанные более слабыми силами Ван-дер-Ваальса атомной физики и точнее классифицируется как ван-дер-ваальсовы твердые тела. Они связаны не только этими более слабыми силами Ван-дер-Ваальса и демонстрируют различные проценты ковалентности в зависимости от их конкретного химического состава. [2]

Приложения

CD -RW (CD). Аморфные халькогенидные материалы составляют основу технологии твердотельной памяти перезаписываемых CD и DVD. [3]

Области применения включают инфракрасные детекторы, формуемую инфракрасную оптику, такую ​​как линзы , и инфракрасные оптические волокна , причем основным преимуществом является то, что эти материалы передают в широком диапазоне инфракрасного электромагнитного спектра .

Физические свойства халькогенидных стекол (высокий показатель преломления, низкая энергия фононов , высокая нелинейность) также делают их идеальными для включения в лазеры , планарную оптику, фотонные интегральные схемы и другие активные устройства, особенно если они легированы ионами редкоземельных элементов . Некоторые халькогенидные стекла демонстрируют несколько нелинейных оптических эффектов, таких как рефракция, индуцированная фотонами [4] и изменение диэлектрической проницаемости, индуцированное электронами [5].

Некоторые халькогенидные материалы испытывают термически обусловленные аморфно-кристаллические фазовые переходы. Это делает их полезными для кодирования двоичной информации на тонких пленках халькогенидов и формирует основу перезаписываемых оптических дисков [3] и энергонезависимых запоминающих устройств, таких как PRAM . Примерами таких материалов с фазовым переходом являются GeSbTe и AgInSbTe . В оптических дисках слой фазового перехода обычно располагается между диэлектрическими слоями ZnS - SiO2, иногда со слоем пленки, способствующей кристаллизации. [ требуется ссылка ] Другие, менее часто используемые материалы: InSe , SbSe , SbTe , InSbSe, InSbTe, GeSbSe, GeSbTeSe и AgInSbSeTe. [6]

Intel утверждает, что ее технология памяти 3D XPoint на основе халькогенидов обеспечивает пропускную способность и надежность записи в 1000 раз выше, чем у флэш-памяти .

Электрическое переключение в халькогенидных полупроводниках возникло в 1960-х годах, когда был открыт аморфный халькогенид Те
48Как
30Си
12Ge
10Было обнаружено, что проявляются резкие, обратимые переходы в электрическом сопротивлении выше порогового напряжения. Если ток сохраняется в некристаллическом материале, он нагревается и переходит в кристаллическую форму. Это эквивалентно записи на нем информации. Кристаллическая область может быть расплавлена ​​под воздействием короткого, интенсивного импульса тепла. Последующее быстрое охлаждение затем отправляет расплавленную область обратно через стеклование. И наоборот, тепловой импульс меньшей интенсивности и большей продолжительности кристаллизует аморфную область. Попытки вызвать стекловидно-кристаллическое превращение халькогенидов электрическими средствами составляют основу памяти с произвольным доступом с изменением фаз (PC-RAM). Эта технология была разработана для почти коммерческого использования компанией ECD Ovonics . Для операций записи электрический ток подает тепловой импульс. Процесс считывания выполняется при подпороговых напряжениях за счет использования относительно большой разницы в электрическом сопротивлении между стеклообразным и кристаллическим состояниями. Примерами таких материалов с изменением фаз являются GeSbTe и AgInSbTe .

Помимо приложений памяти, контраст механических свойств между аморфными и кристаллическими фазами является новой концепцией настройки частоты в резонансных наноэлектромеханических системах . [7]

Исследовать

Полупроводниковые свойства халькогенидных стекол были обнаружены в 1955 году Б.Т. Коломийцем и Н.А. Горуновой из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе СССР. [8] [9 ]

Хотя электронные структурные переходы, относящиеся как к оптическим дискам, так и к PC-RAM, были представлены в значительной степени, вклад ионов не рассматривался, хотя аморфные халькогениды могут иметь значительную ионную проводимость. На Euromat 2005 было показано, что ионный транспорт также может быть полезен для хранения данных в твердом халькогенидном электролите. В наномасштабе этот электролит состоит из кристаллических металлических островков селенида серебра ( Ag
2Se ), диспергированный в аморфной полупроводниковой матрице селенида германия ( Ge
2Сэ
3).

Электронные применения халькогенидных стекол были активной темой исследований на протяжении второй половины 20-го века и позже. Например, миграция растворенных ионов необходима в электролитическом случае, но может ограничить производительность устройства с изменением фазы. Диффузия как электронов, так и ионов участвует в электромиграции — широко изучаемой как механизм деградации электрических проводников, используемых в современных интегральных схемах. Таким образом, единый подход к изучению халькогенидов, оценивающий коллективные роли атомов, ионов и электронов, может оказаться существенным как для производительности, так и для надежности устройства. [10] [11]

Ссылки

  1. ^ Флемингс, MC; Ильшнер, B.; Крамер, EJ; Махаджан, S.; Юрген Бушов, KH; Кан, RW (2001). Энциклопедия материалов: наука и технология . Elsevier.
  2. ^ RA Loretz, TJ Loretz и KA Richardson, «Прогностический метод оценки свойств халькогенидного стекла: связь, плотность и влияние на свойства стекла», Opt Mater. Express, 12:5, (2022), https://doi.org/10.1364/OME.455523
  3. ^ ab Грир, А. Линдсей; Матур, Н (2005). «Материаловедение: меняющееся лицо хамелеона». Nature . 437 (7063): 1246–7. Bibcode :2005Natur.437.1246G. doi : 10.1038/4371246a . PMID  16251941.
  4. ^ Танака, К.; Шимакава, К. (2009). «Халькогенидные стекла в Японии: обзор фотоиндуцированных явлений». Phys. Status Solidi B. 246 ( 8): 1744–57. Bibcode : 2009PSSBR.246.1744T. doi : 10.1002/pssb.200982002. S2CID  120152416.
  5. ^ Сан-Роман-Алериджи, Дамиан П.; Анджум, Далавер Х.; Чжан, Япин; Ян, Сяомин; Бенслиман, Ахмед; Нг, Тьен К.; Алсунаиди, Мохаммед; Оой, Бун С. (2013). «Электронное облучение вызвало снижение диэлектрической проницаемости в тонкой пленке халькогенидного стекла (As[sub 2]S[sub 3])». Дж. Прил. Физ . 113 : 044116. arXiv : 1208.4542 . дои : 10.1063/1.4789602. S2CID  35938832.
  6. ^ US 6511788, «Многослойный оптический диск», выдан 28.01.2003 
  7. ^ Али, Утку Эмре; Моди, Гаурав; Агарвал, Ритеш; Бхаскаран, Хариш (2022-03-18). «Модуляция наномеханических свойств в реальном времени как основа для настраиваемых НЭМС». Nature Communications . 13 (1): 1464. Bibcode :2022NatCo..13.1464A. doi :10.1038/s41467-022-29117-7. ISSN  2041-1723. PMC 8933423 . PMID  35304454. 
  8. ^ Коломиец, BT (1964). «Стекловидные полупроводники (I)». Physica Status Solidi B. 7 ( 2): 359–372. Bibcode :1964PSSBR...7..359K. doi :10.1002/pssb.19640070202. S2CID  222432031.
  9. ^ Коломиец, BT (1964). «Стекловидные полупроводники (II)». Physica Status Solidi B. 7 ( 3): 713–731. Bibcode : 1964PSSBR...7..713K. doi : 10.1002/pssb.19640070302.
  10. ^ Овшинский, SR (1968). «Обратимые явления электрического переключения в неупорядоченных структурах». Phys. Rev. Lett . 21 (20): 1450–3. Bibcode : 1968PhRvL..21.1450O. doi : 10.1103/PhysRevLett.21.1450.
  11. ^ Адлер, Д.; Шур, М.С.; Сильвер, М.; Овшинский, С.Р. (1980). «Пороговое переключение в тонких пленках халькогенидного стекла». Журнал прикладной физики . 51 (6): 3289–3309. Bibcode : 1980JAP....51.3289A. doi : 10.1063/1.328036.
    Vezzoli, GC; Walsh, PJ; Doremus, LW (1975). «Пороговое переключение и состояние включения в некристаллических халькогенидных полупроводниках: интерпретация исследований порогового переключения». Журнал некристаллических твердых тел . 18 (3): 333–373. Bibcode : 1975JNCS...18..333V. doi : 10.1016/0022-3093(75)90138-6.

Дальнейшее чтение