El vidrio de calcogenuro (pronunciado ch duro como en química ) es un vidrio que contiene uno o más calcógenos ( azufre , selenio y telurio , pero excluyendo el oxígeno ). Dichos vidrios son materiales unidos covalentemente y pueden clasificarse como sólidos de red covalente . El polonio también es un calcógeno, pero no se utiliza debido a su fuerte radiactividad . Los materiales de calcogenuro se comportan de manera bastante diferente a los óxidos, en particular sus brechas de banda inferiores contribuyen a propiedades ópticas y eléctricas muy diferentes.
Los vidrios de calcogenuro 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.
Compuestos de calcogenuro como AgInSbTe y GeSbTe se utilizan en regrabables discos ópticos y de memoria de cambio de fase dispositivos. Son formadores de vidrio frágiles : al controlar el calentamiento y el recocido (enfriamiento), se pueden cambiar entre un estado amorfo (vítreo) y cristalino , cambiando así sus propiedades ópticas y eléctricas y permitiendo el almacenamiento de información.
Química
La mayoría de los vidrios de calcogenuro binarios estables son compuestos de un calcógeno y un elemento del grupo 14 o 15 y pueden formarse en una amplia gama de relaciones atómicas. También se conocen los vidrios ternarios. [1]
No todas las composiciones de calcogenuro existen en forma vítrea, aunque es posible encontrar materiales con los que estas composiciones no formadoras de vidrio se puedan alear 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, sulfuro de galio lantano (GLS).
Aplicaciones
Los usos incluyen detectores infrarrojos, ópticas infrarrojas moldeables como lentes y fibras ópticas infrarrojas , con la principal ventaja de que estos materiales transmiten a través de una amplia gama del espectro electromagnético infrarrojo .
Las propiedades físicas de los vidrios de calcogenuro (alto índice de refracción, baja energía fonética , 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 exhiben varios efectos ópticos no lineales, como la refracción inducida por fotones, [3] y la modificación de la permitividad inducida por electrones [4].
Algunos materiales de calcogenuro experimentan cambios de fase amorfa a cristalina impulsados térmicamente. Esto los hace útiles para codificar información binaria en películas delgadas de calcogenuros y forma la base de discos ópticos regrabables [2] y dispositivos de memoria no volátiles como PRAM . Ejemplos de tal cambio de fase materiales son GeSbTe y AgInSbTe . En los discos ópticos, la capa de cambio de fase generalmente se intercala entre capas dieléctricas de ZnS - SiO 2 , a veces con una capa de una película que promueve la cristalización. [ cita requerida ] Otros materiales de este tipo menos utilizados son InSe , SbSe , SbTe , InSbSe , InSbTe , GeSbSe , GeSbTeSe y AgInSbSeTe . [5]
Intel afirma que su tecnología de memoria 3D XPoint basada en calcogenuro logra un rendimiento y una durabilidad de escritura 1000 veces mayor que la memoria flash .
La conmutación eléctrica en semiconductores de calcogenuro surgió en la década de 1960, cuando se descubrió que el calcogenuro amorfo Te 48 As 30 Si 12 Ge 10 exhibía transiciones bruscas 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 equivale a escribir información en él. Una región cristalina se puede derretir al exponerla a un breve e intenso pulso de calor. El subsiguiente enfriamiento rápido envía la región fundida de regreso a través de la transición vítrea. Por el contrario, un pulso de calor de menor intensidad y de mayor duración cristalizará una región amorfa. Los intentos de inducir la transformación de calcogenuros en cristales vítreos por medios eléctricos forman la base de la memoria de acceso aleatorio de cambio de fase (PC-RAM). Esta tecnología ha sido desarrollada para un uso casi 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 por debajo del umbral utilizando la diferencia relativamente grande en la resistencia eléctrica entre los estados vítreo y cristalino. Ejemplos de materiales de cambio de fase son tales GeSbTe y AgInSbTe .
Investigar
Las propiedades semiconductoras de los vidrios de calcogenuro fueron reveladas en 1955 por BT Kolomiets y NA Gorunova del Instituto Ioffe , URSS. [6] [7]
Aunque las transiciones estructurales electrónicas relevantes tanto para los discos ópticos como para PC-RAM se destacaron con fuerza, no se consideraron las contribuciones de los iones, aunque los calcogenuros amorfos pueden tener conductividades iónicas significativas. En Euromat 2005, sin embargo, se demostró que el transporte iónico también puede ser útil para el almacenamiento de datos en un electrolito de calcogenuro sólido. A nanoescala, este electrolito consta de islas metálicas cristalinas de seleniuro de plata (Ag 2 Se) dispersas en una matriz semiconductora amorfa de seleniuro de germanio (Ge 2 Se 3 ).
Las aplicaciones electrónicas de los vidrios de calcogenuro han sido un tema activo de investigación a lo largo de 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 de electrones e 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, que evalúe las funciones colectivas de los átomos, iones y electrones, puede resultar esencial tanto para el rendimiento como para la fiabilidad del dispositivo. [8] [9] [10]
Referencias
- ^ MC Flemings, B. Ilschner, EJ Kramer, S. Mahajan, KH Jurgen Buschow y RW Cahn, Enciclopedia de materiales: ciencia y tecnología, Elsevier Science Ltd, 2001.
- ↑ a b Greer, A. Lindsay; Mathur, N (2005). "Ciencia de los materiales: cara cambiante del camaleón" . Naturaleza . 437 (7063): 1246-1247. Código bibliográfico : 2005Natur.437.1246G . doi : 10.1038 / 4371246a . PMID 16251941 .
- ^ Tanaka, K. y Shimakawa, K. (2009), Vasos de calcogenuro en Japón: una revisión sobre los fenómenos fotoinducidos. Phys. Estado Solidi B, 246: 1744–1757. doi: 10.1002 / pssb.200982002
- ^ Reducción inducida por irradiación de electrones de la permitividad en vidrio de calcogenuro (As [sub 2] S [sub 3]) película delgada Damian P. San-Roman-Alerigi, Dalaver H. Anjum, Yaping Zhang, Xiaoming Yang, Ahmed Benslimane, Tien K. Ng, Mohamed N. Hedhili, Mohammad Alsunaidi y Boon S. Ooi, J. Appl. Phys. 113, 044116 (2013), DOI: 10.1063 / 1.4789602
- ^ Patente estadounidense 6511788 Archivada el 26 de septiembre de 2007 en Wayback Machine.
- ^ Kolomiets, BT (1964). "Semiconductores vítreos (I)". Physica Status Solidi B . 7 (2): 359–372. Código bibliográfico : 1964PSSBR ... 7..359K . doi : 10.1002 / pssb.19640070202 .
- ^ Kolomiets, BT (1964). "Semiconductores vítreos (II)". Physica Status Solidi B . 7 (3): 713–731. Código Bibliográfico : 1964PSSBR ... 7..713K . doi : 10.1002 / pssb.19640070302 .
- ^ Ovshinsky, SR, Phys. Rev. Lett., Vol. 21, pág. 1450 (1968); Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 43, pág. 4695 (2004)
- ^ Adler, D. y col., J. Appl. Phys., Vol. 51, pág. 3289 (1980)
- ^ Vezzoli, GC, Walsh, PJ, Doremus, LW, J. Non-Cryst. Sólidos, vol. 18, pág. 333 (1975)
Otras lecturas
- Zakery, A .; SR Elliott (2007). No linealidades ópticas en vidrios calcogenuros 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 . 4 . Elsevier. págs. 206–261. doi : 10.1016 / B978-0-44-453153-7.00122-X . ISBN 9780444531537.