Фаза

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2881 (2023) Цитировать эту статью

1703 Доступа

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Материалы с фазовым переходом, демонстрирующие быстрое переключение между двумя различными состояниями с резким контрастом электрических, оптических или магнитных свойств, жизненно важны для современных фотонных и электронных устройств. На сегодняшний день этот эффект наблюдается в халькогенидных соединениях на основе Se, Te или их обоих, а совсем недавно – в стехиометрическом составе Sb2S3. Тем не менее, для достижения наилучшей интеграции в современную фотонику и электронику необходима смешанная среда с фазовым переходом S/Se/Te, которая обеспечит широкий диапазон настройки таких важных физических свойств, как стабильность стекловидной фазы, радиационная и фоточувствительность, оптический зазор. , электро- и теплопроводность, нелинейно-оптические эффекты, а также возможность структурной модификации на наноуровне. В этой работе термически индуцированное переключение удельного сопротивления от высокого к низкому при температуре ниже 200 ° C продемонстрировано в богатых Sb эквихалькогенидах (содержащих S, Se и Te в равных пропорциях). Наномасштабный механизм связан с взаимообменом тетраэдрической и октаэдрической координации атомов Ge и Sb, замещением Te в ближайшем окружении Ge на S или Se и образованием связей Sb–Ge/Sb при дальнейшем отжиге. Материал может быть интегрирован в многофункциональные платформы на основе халькогенидов, нейроморфные вычислительные системы, фотонные устройства и датчики.

Халькогенидные материалы с фазовым переходом (ПКМ) известны своим уникальным поведением при переключении между аморфным и кристаллическим состояниями1,2,3. Сопутствующие выраженные изменения в оптических и электронных транспортных свойствах, происходящие в наносекундном масштабе времени, послужили основой для многих применений PCM в устройствах хранения данных, реконфигурируемой метаоптике, оптических переключателях, настраиваемых излучателях и поглотителях, энергонезависимой фотонике и даже в нейроморфных фотонных вычислениях1, 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Быстрые и обратимые переходы между высокоомным и проводящим состояниями (обычно удельное сопротивление изменяется на несколько порядков), происходящие при умеренно повышенных температурах, особенно интригуют для устройств памяти нового поколения1,2,13. До настоящего времени исследования были сосредоточены в основном на ПКМ тройных составов Ge-Sb-Te (GST) с различной концентрацией составляющих элементов, включая граничные соединения Ge-Te (такие как GeTe) и Sb-Te (эвтектические Sb69Te31, Sb40Te60 или аналогичные)1. ,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Недавно введение Se в эту матрицу привело к открытию семейства PCM Ge-Sb-Se-Te (GSST), в котором удовлетворительный эффект памяти фазового изменения как в электрических, так и в оптических свойствах сочетается с преимуществом значительно улучшенного стеклообразования. способность и оптическую прозрачность в диапазоне длин волн 1,0–18,5 мкм4. В принципе, этот результат соответствует ожидаемому поведению при замене Te на Se в многокомпонентных халькогенидных системах14,15,16,17. Более того, анализируя применение и физические свойства различных халькогенидов, можно заметить, что каждый тип халькогена (S, Se или Te) привносит в соединение свою собственную выдающуюся функциональность17,18,19,20. Таким образом, основными движущими факторами добавления Se в композицию являются улучшенная стеклообразующая способность и, как правило, более высокая оптическая прозрачность17,18,19; Известно, что Te способствует изменению валентности и, следовательно, увеличивает разнообразие возможных структурных мотивов и сродство кристаллизации17,18,19,20,21; S обычно используется для повышения чувствительности к внешним факторам или усиления нелинейных оптических эффектов22,23,24. Следуя этой тенденции, мы можем утверждать, что включение серы в состав ПКМ наряду с Se и Te может добавить новые функциональные возможности, еще не изученные в этом классе материалов. Такое предположение основано на недавнем возрождении сульфидов и селенидов, содержащих сурьму и германий, которые предлагаются в качестве перспективной среды для переключаемых динамических метапикселей с высокой насыщенностью, высокой эффективностью и высоким разрешением для улучшенных метадисплеев (Sb2S3 и Sb2Se3). )25, формирование монокристаллического пути под лазерным облучением (SbSI)26,27, 3D-волноводы (Ge23Sb7S70)28, твердотельные литиевые батареи (Ga2S3, модифицированный Ge33S67)29 и фотоника «стекло на графене»30. Недавно было доказано, что соединения Sb2S3 и Sb2Se3 обладают эффектом памяти фазового перехода31,32. Все эти достижения становятся возможными благодаря уникальным физическим свойствам сульфидов, таким как относительно широкая оптическая щель, высокий показатель преломления, низкие оптические потери и высокая чувствительность к внешним факторам. Халькогенидные стекла на основе сульфидов также обладают удовлетворительной растворимостью различных редкоземельных ионов, что делает их пригодными для применения в волоконно-оптических усилителях и устройствах преобразования энергии17,21,33,34,35.