段階

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2881 (2023) この記事を引用

1703 アクセス

3 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

相変化材料は、電気的、光学的、または磁気的特性の鋭いコントラストを備えた 2 つの異なる状態の間の素早いスイッチングを示し、現代のフォトニックおよび電子デバイスにとって不可欠です。 現在まで、この効果は Se、Te、またはその両方をベースとしたカルコゲニド化合物で観察されており、最近では化学量論的な Sb2S3 組成でも観察されています。 しかし、現代のフォトニクスやエレクトロニクスへの最高の統合性を達成するには、S/Se/Te混合相変化媒体が必要です。これにより、ガラス質の相安定性、放射線と光感度、光学ギャップなどの重要な物理的特性の広い調整範囲が可能になります。 、電気伝導性と熱伝導性、非線形光学効果、およびナノスケールでの構造変更の可能性。 この研究では、Sb に富む等カルコゲニド (S、Se、Te を同じ割合で含む) において、200 °C 未満で熱誘起の高抵抗から低抵抗への抵抗率の切り替えが実証されています。 ナノスケール機構は、Ge 原子と Sb 原子の四面体配位と八面体配位間の交換、最も近い Ge 環境における Te の S または Se による置換、およびさらなるアニーリングによる Sb-Ge/Sb 結合の形成に関連しています。 この材料は、カルコゲニドベースの多機能プラットフォーム、ニューロモーフィック計算システム、フォトニックデバイスおよびセンサーに統合できます。

カルコゲニド相変化材料 (PCM) は、アモルファス状態と結晶状態の間で切り替わる際の独特の動作で知られています 1、2、3。 ナノ秒のタイムスケールで起こる光および電子伝達特性の顕著な変化に伴い、データストレージデバイス、再構成可能なメタオプティクス、光スイッチ、調整可能なエミッターおよびアブソーバー、不揮発性フォトニクス、さらにはニューロモーフィックフォトニックコンピューティング1におけるPCMの多くのアプリケーションの基礎が形成されました。 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12。 適度に上昇した温度で起こる、高抵抗状態と導電状態の間の急速かつ可逆的な遷移 (通常、抵抗率は数桁変化します) は、新世代のメモリデバイスにとって特に興味深いものです 1、2、13。 これまでの研究は主に、境界 Ge-Te (GeTe など) や Sb-Te (共晶 Sb69Te31、Sb40Te60 など) 化合物など、異なる濃度の構成元素を含む三元 Ge-Sb-Te (GST) 組成からの PCM に焦点を当ててきました。 、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。 最近、このマトリックスへの Se の導入により、Ge-Sb-Se-Te (GSST) ファミリーの PCM が発見されました。このファミリーでは、電気的特性と光学的特性の両方における満足のいく相変化メモリー効果が、大幅に改善されたガラス形成の利点と組み合わされています。 1.0 ～ 18.5 μm の波長範囲における能力と光透過性 4. 原理的には、この結果は、多元カルコゲナイド系で Te が Se に置き換えられた場合に予想される挙動に従います 14、15、16、17。 さらに、さまざまなカルコゲニドの用途と物理的特性の分析を通じて、各カルコゲン タイプ (S、Se、または Te) が化合物に独自の際立った機能をもたらしていることに気づくことができます 17、18、19、20。 したがって、組成に Se を添加する主な要因は、ガラス形成能力の向上と、一般に高い光透過性です 17、18、19。 Te は原子価の変化を促進することが知られており、したがって、考えられる構造的動機と結晶化親和性の多様性を増加させます 17、18、19、20、21。 S は通常、外部要因に対する感度を向上させたり、非線形光学効果を強化したりするために使用されます 22、23、24。 この傾向に従って、Se および Te とともに PCM 組成に硫黄を含めることで、このクラスの材料ではこれまで検討されていない新しい機能を追加できる可能性があると主張できます。 このような仮定は、硫化物とセレン化物を含むアンチモンとゲルマニウムの最近の復活に基づいており、これらは強化されたメタディスプレイ（Sb2S3 および Sb2Se3）用の切り替え可能、高彩度、高効率、高解像度の動的メタピクセルの遠近媒体として提案されています。 )25、レーザー照射下での単結晶パス形成 (SbSI)26,27、3D 導波路 (Ge23Sb7S70)28、固体リチウム電池 (Ga2S3 修飾 Ge33S67)29、およびグラス・オン・グラフェン・フォトニクス 30。 最近、Sb2S3 および Sb2Se3 化合物にも相変化メモリ効果があることが証明されました 31,32。 これらすべての進歩は、比較的広い光学ギャップ、高い屈折率、低い光学損失、および外部要因に対する高い感度など、硫化物の独特な物理的特性によって可能になります。 硫化物ベースのカルコゲナイドガラスは、さまざまな希土類イオンの十分な溶解度も備えているため、光ファイバー増幅器やエネルギー変換デバイスの用途に適しています17、21、33、34、35。