Vidrio calcogenuro
Vidrio que contiene uno o más de azufre, selenio y telurio.

El vidrio calcogenuro (pronunciado hard ch como en química ) es un vidrio que contiene uno o más calcógenos ( azufre , selenio y telurio , pero excluyendo el oxígeno ). El polonio también es un calcógeno, pero no se utiliza debido a su fuerte radiactividad . Los materiales calcogenuros se comportan de forma bastante diferente a los óxidos, en particular sus brechas de banda más bajas contribuyen a propiedades ópticas y eléctricas muy diferentes.

Los vidrios calcogenuros clásicos (principalmente los basados ​​en azufre, como As-S o Ge-S ) son fuertes formadores de vidrio y poseen vidrios dentro de grandes regiones de concentración. Las capacidades de formación de vidrio disminuyen con el aumento del peso molar de los elementos constituyentes; es decir, S > Se > Te.

Los compuestos calcogenuros, como AgInSbTe y GeSbTe, se utilizan en discos ópticos regrabables y dispositivos de memoria de cambio de fase . Son frágiles formadores de vidrio: controlando el calentamiento y el recocido (enfriamiento), pueden cambiar de un estado amorfo (vítreo) a uno cristalino , modificando así sus propiedades ópticas y eléctricas y permitiendo el almacenamiento de información.

Química

Los vidrios calcogenuros binarios más estables son compuestos de un calcógeno y un elemento del grupo 14 o 15 y pueden formarse en un amplio rango de proporciones atómicas. También se conocen vidrios ternarios. [1]

No todas las composiciones de calcogenuros existen en forma vítrea, aunque es posible encontrar materiales con los que se pueden alear estas composiciones no formadoras de vidrio para formar un vidrio. Un ejemplo de esto son los vidrios a base de sulfuro de galio. El sulfuro de galio (III) por sí solo no es un formador de vidrio conocido; sin embargo, con sulfuros de sodio o lantano forma un vidrio, el sulfuro de galio y lantano (GLS).

Hasta hace poco, se creía que los vidrios calcogenuros (ChG) eran materiales predominantemente unidos por enlaces covalentes y se clasificaban como sólidos de red covalente . Un estudio universitario muy completo y reciente de más de 265 composiciones elementales de ChG diferentes, que representan 40 familias elementales diferentes, ahora muestra que la gran mayoría de los vidrios calcogenuros se definen con mayor precisión como predominantemente unidos por las fuerzas de van der Waals más débiles de la física atómica y se clasifican con mayor precisión como sólidos de red de van der Waals. No están unidos exclusivamente por estas fuerzas de van der Waals más débiles, y exhiben porcentajes variables de covalencia, según su composición química específica. [2]

Aplicaciones

Un CD-RW (CD). Los materiales de calcogenuro amorfo forman la base de la tecnología de memoria de estado sólido de CD y DVD regrabables. [3]

Los usos incluyen detectores infrarrojos, ópticas infrarrojas moldeables como lentes y fibras ópticas infrarrojas , siendo la principal ventaja que estos materiales transmiten a través de un amplio rango del espectro electromagnético infrarrojo .

Las propiedades físicas de los vidrios de calcogenuro (alto índice de refracción, baja energía de fonones , alta no linealidad) también los hacen ideales para su incorporación en láseres , ópticas planas, circuitos integrados fotónicos y otros dispositivos activos, especialmente si están dopados con iones de elementos de tierras raras . Algunos vidrios de calcogenuro presentan varios efectos ópticos no lineales, como la refracción inducida por fotones [4] y la modificación de la permitividad inducida por electrones [5].

Algunos materiales de calcogenuros experimentan cambios de fase de amorfos a cristalinos impulsados ​​térmicamente. Esto los hace útiles para codificar información binaria en películas delgadas de calcogenuros y forma la base de discos ópticos regrabables [3] y dispositivos de memoria no volátil como PRAM . Ejemplos de tales materiales de cambio de fase son GeSbTe y AgInSbTe . En los discos ópticos, la capa de cambio de fase generalmente está intercalada entre capas dieléctricas de ZnS - SiO
2, a veces con una capa de película que promueve la cristalización. [ cita requerida ] Otros materiales menos utilizados son InSe , SbSe , SbTe , InSbSe, InSbTe, GeSbSe, GeSbTeSe y AgInSbSeTe. [6]

Intel afirma que su tecnología de memoria 3D XPoint basada en calcogenuro logra un rendimiento y una durabilidad de escritura 1.000 veces superiores a la de la memoria flash .

La conmutación eléctrica en semiconductores de calcogenuro surgió en la década de 1960, cuando el calcogenuro amorfo Te
48Como
30Si
12En
10Se descubrió que el material no cristalino presenta transiciones agudas y reversibles en la resistencia eléctrica por encima de un voltaje umbral. Si se permite que la corriente persista en el material no cristalino, se calienta y cambia a forma cristalina. Esto es equivalente a que se escriba información en él. Una región cristalina puede fundirse mediante la exposición a un pulso de calor breve e intenso. El enfriamiento rápido posterior envía entonces la región fundida de nuevo a través de la transición vítrea. Por el contrario, un pulso de calor de menor intensidad y mayor duración cristalizará una región amorfa. Los intentos de inducir la transformación vítrea-cristalina de los calcogenuros por medios eléctricos forman la base de la memoria de acceso aleatorio de cambio de fase (PC-RAM). Esta tecnología ha sido desarrollada hasta casi su uso comercial por ECD Ovonics . Para las operaciones de escritura, una corriente eléctrica suministra el pulso de calor. El proceso de lectura se realiza a voltajes subumbral utilizando la diferencia relativamente grande en la resistencia eléctrica entre los estados vítreo y cristalino. Ejemplos de tales materiales de cambio de fase son GeSbTe y AgInSbTe .

Además de las aplicaciones de memoria, el contraste de propiedades mecánicas entre fases amorfas y cristalinas es un concepto emergente de ajuste de frecuencia en sistemas nanoelectromecánicos resonantes . [7]

Investigación

Las propiedades semiconductoras de los vidrios calcogenuros fueron reveladas en 1955 por BT Kolomiets y NA Gorunova del Instituto Ioffe , URSS. [8] [9]

Aunque se hizo hincapié en las transiciones estructurales electrónicas relevantes tanto para los discos ópticos como para la PC-RAM, no se consideraron las contribuciones de los iones, a pesar de que los calcogenuros amorfos pueden tener conductividades iónicas significativas. En Euromat 2005 se demostró que el transporte iónico también puede ser útil para el almacenamiento de datos en un electrolito de calcogenuro sólido. A escala nanométrica, este electrolito consta de islas metálicas cristalinas de seleniuro de plata ( Ag
2Se ) disperso en una matriz semiconductora amorfa de seleniuro de germanio ( Ge
2Sí
3).

Las aplicaciones electrónicas de los vidrios de calcogenuros han sido un tema activo de investigación durante la segunda mitad del siglo XX y más allá. Por ejemplo, la migración de iones disueltos es necesaria en el caso electrolítico, pero podría limitar el rendimiento de un dispositivo de cambio de fase. La difusión tanto de electrones como de iones participa en la electromigración, ampliamente estudiada como un mecanismo de degradación de los conductores eléctricos utilizados en los circuitos integrados modernos. Por lo tanto, un enfoque unificado para el estudio de los calcogenuros, evaluando los roles colectivos de átomos, iones y electrones, puede resultar esencial tanto para el rendimiento como para la confiabilidad del dispositivo. [10] [11]

Referencias

  1. ^ Flemings, MC; Ilschner, B.; Kramer, EJ; Mahajan, S.; Jurgen Buschow, KH; Cahn, RW (2001). Enciclopedia de materiales: ciencia y tecnología . Elsevier.
  2. ^ RA Loretz, TJ Loretz y KA Richardson, "Método predictivo para evaluar las propiedades del vidrio calcogenuro: unión, densidad e impacto en las propiedades del vidrio", Opt Mater. Express, 12:5, (2022), https://doi.org/10.1364/OME.455523
  3. ^ ab Greer, A. Lindsay; Mathur, N (2005). "Ciencia de los materiales: el rostro cambiante del camaleón". Nature . 437 (7063): 1246–7. Bibcode :2005Natur.437.1246G. doi : 10.1038/4371246a . PMID  16251941.
  4. ^ Tanaka, K.; Shimakawa, K. (2009). "Vidrios de calcogenuro en Japón: una revisión de los fenómenos fotoinducidos". Phys. Status Solidi B . 246 (8): 1744–57. Bibcode :2009PSSBR.246.1744T. doi :10.1002/pssb.200982002. S2CID  120152416.
  5. ^ San-Román-Alerigi, Damián P.; Anjum, Dalaver H.; Zhang, Yaping; Yang, Xiaoming; Benslimane, Ahmed; Ng, Tien K.; Alsunaidi, Mohammad; Ooi, Boon S. (2013). "La irradiación de electrones indujo la reducción de la permitividad en la película delgada de vidrio de calcogenuro (As[sub 2]S[sub 3])". J. Aplica. Física . 113 : 044116. arXiv : 1208.4542 . doi : 10.1063/1.4789602. S2CID  35938832.
  6. ^ US 6511788, "Disco óptico multicapa", publicado el 28 de enero de 2003 
  7. ^ Ali, Utku Emre; Modi, Gaurav; Agarwal, Ritesh; Bhaskaran, Harish (18 de marzo de 2022). "Modulación de propiedades nanomecánicas en tiempo real como marco para NEMS ajustables". Nature Communications . 13 (1): 1464. Bibcode :2022NatCo..13.1464A. doi :10.1038/s41467-022-29117-7. ISSN  2041-1723. PMC 8933423 . PMID  35304454. 
  8. ^ Kolomiets, BT (1964). "Semiconductores vítreos (I)". Physica Status Solidi B . 7 (2): 359–372. Código Bibliográfico :1964PSSBR...7..359K. doi :10.1002/pssb.19640070202. S2CID  222432031.
  9. ^ Kolomiets, BT (1964). "Semiconductores vítreos (II)". Physica Status Solidi B . 7 (3): 713–731. Código Bibliográfico :1964PSSBR...7..713K. doi :10.1002/pssb.19640070302.
  10. ^ Ovshinsky, SR (1968). "Fenómenos de conmutación eléctrica reversible en estructuras desordenadas". Phys. Rev. Lett . 21 (20): 1450–3. Código Bibliográfico :1968PhRvL..21.1450O. doi :10.1103/PhysRevLett.21.1450.
  11. ^ Adler, D.; Shur, MS; Silver, M.; Ovshinsky, SR (1980). "Cambio de umbral en películas delgadas de vidrio y calcogenuro". Journal of Applied Physics . 51 (6): 3289–3309. Bibcode :1980JAP....51.3289A. doi :10.1063/1.328036.
    Vezzoli, GC; Walsh, PJ; Doremus, LW (1975). "Umbral de conmutación y estado activado en semiconductores de calcogenuro no cristalino: una interpretación de la investigación sobre el umbral de conmutación". Journal of Non-Crystalline Solids . 18 (3): 333–373. Bibcode :1975JNCS...18..333V. doi :10.1016/0022-3093(75)90138-6.

Lectura adicional

  • Zakery, A.; SR Elliott (2007). No linealidades ópticas en vidrios de calcogenuro y sus aplicaciones . Nueva York: Springer. ISBN 9783540710660.
  • Frumar, M.; Frumarova, B.; Wagner, T. (2011). "4.07: Calcogenuros semiconductores amorfos y vítreos". En Pallab Bhattacharya; Roberto Fornari; Hiroshi Kamimura (eds.). Ciencia y tecnología integral de semiconductores . Vol. 4. Elsevier. págs. 206–261. doi :10.1016/B978-0-44-453153-7.00122-X. ISBN . 9780444531537.
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