Халькогенидное стекло - Chalcogenide glass

Халькогенидное стекло ( в химии произносится как hard ch ) - это стекло, содержащее один или несколько халькогенов ( сера , селен и теллур , но исключая кислород ). Такие стекла представляют собой ковалентно связанные материалы и могут быть классифицированы как твердые тела с ковалентной сеткой . Полоний также является халькогеном, но не используется из-за его высокой радиоактивности . Халькогенидные материалы ведут себя несколько иначе, чем оксиды, в частности, их нижняя запрещенная зона. вносят свой вклад в 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 областях концентрации. Стеклообразующие способности снижаются 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 памяти с фазовым переходом . Это хрупкие стеклообразователи: контролируя нагрев и отжиг (охлаждение), они могут переключаться между аморфным (стеклообразным) и кристаллическим состоянием, тем самым изменяя их оптические и электрические свойства и позволяя хранить информацию.

Химия

Наиболее стабильные бинарные халькогенидные стекла представляют собой соединения халькогена и элемента 14 или 15 группы и могут образовываться в широком диапазоне атомных соотношений. Известны также тройные стаканы.

Не все халькогенидные композиции существуют в стеклообразной форме, хотя можно найти материалы, с которыми эти не стеклообразующие композиции можно сплавить для образования стекла. Примером этого являются стекла на основе сульфида галлия. Сульфид галлия (III) сам по себе не является стеклообразующим веществом; однако с сульфидами натрия или лантана он образует стекло, сульфид галлия и лантана (GLS).

Приложения

CD-RW (компакт - диск). Аморфные халькогениды составляют основу технологии твердотельной памяти перезаписываемых CD и DVD.

Области применения включают в себя инфракрасные детекторы, формуемую инфракрасную оптику, такую ​​как линзы , и инфракрасные оптические волокна , главное преимущество которых состоит в том, 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 индуцированное фотонами преломление и изменение диэлектрической проницаемости, индуцированное электронами.

Некоторые халькогенидные материалы претерпевают термические переходы из аморфной фазы в кристаллическую. Это делает их полезными для кодирования двоичной информации на тонких пленках халькогенидов и составляет основу перезаписываемых оптических дисков и устройств энергонезависимой памяти, таких как PRAM . Примерами таких материалов с фазовым переходом являются GeSbTe и AgInSbTe . В оптических дисках слой с фазовым переходом обычно расположен между диэлектрическими слоями ZnS - SiO.
2, иногда со слоем пленки, способствующей кристаллизации. Другие менее часто используемые такие материалы INSE , СБСЕ , SbTe , InSbSe , InSbTe , GeSbSe , GeSbTeSe и AgInSbSeTe .

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 появилось в 1960-х годах, когда аморфный халькогенид Te
48В качестве
30Si
12Ge
10Было обнаружено, что в электрическом сопротивлении выше порогового напряжения наблюдаются резкие обратимые переходы. Если позволить току сохраняться в некристаллическом материале, он нагревается и переходит в кристаллическую форму. Это эквивалентно написанию на нем информации. Кристаллический участок можно расплавить под воздействием короткого интенсивного теплового импульса. Последующее быстрое охлаждение затем отправляет расплавленную область обратно через стеклование. И наоборот, тепловой импульс меньшей интенсивности и большей продолжительности приведет к кристаллизации аморфной области. Попытки вызвать превращение халькогенидов в стеклообразный кристалл электрическими средствами лежат в основе оперативной памяти с фазовым переходом (PC-RAM). Эта технология была разработана компанией ECD Ovonics для практического использования . 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 фазовым переходом являются GeSbTe и AgInSbTe .

Исследовать

В полупроводниковые свойства халькогенидных стекол были обнаружены в 1955 г. Т. Коломийца и Н. А. Горюновой из ФТИ , СССР.

Хотя электронные структурные переходы, относящиеся как к оптическим дискам, так и к PC-RAM, были сильно характерны, вклад ионов не учитывался, 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. На наноуровне этот электролит состоит из кристаллических металлических островков селенида серебра ( Ag
2Se ), диспергированный в аморфной полупроводниковой матрице селенида германия ( Ge
2Se
3).

Электронные применения халькогенидных стекол были активной темой исследований на протяжении второй половины 20-го века и в последующие годы. Например, миграция растворенных ионов требуется в электролитическом случае, но может ограничить производительность устройства с фазовым переходом. Диффузия электронов и ионов участвует в электромиграции, которая широко изучается как механизм деградации электрических проводников, используемых в современных интегральных схемах. Таким образом, единый подход к изучению халькогенидов, оценивая коллективную роль атомов, ионов и электронов, может оказаться важным как для производительности, так и для надежности устройства.

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Закери, А .; SR Elliott (2007). Оптические нелинейности в халькогенидных стеклах и их применения . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 9783540710660.
  • Frumar, M .; Фрумарова, Б .; Вагнер, Т. (2011). «4.07: Аморфные и стеклообразные полупроводниковые халькогениды». В Паллаб Бхаттачарья; Роберто Форнари; Хироши Камимура (ред.). Комплексная полупроводниковая наука и технология . 4 . Эльзевир. С. 206–261. DOI : 10.1016 / B978-0-44-453153-7.00122-X . ISBN 9780444531537.