Введение

Калькогенидное стекло (произносится как твердое "ch" в химии) – это стекло, содержащее один или несколько халькогенов (серу, селен и теллур, но исключая кислород). Полоний также является халькогеном, но не используется из-за его сильной радиоактивности. Халькогенидные материалы ведут себя существенно иначе, чем оксиды, в частности, их меньшая ширина запрещенной зоны обуславливает сильно отличающиеся оптические и электрические свойства. Классические халькогенидные стекла (преимущественно на основе серы, такие как As₂S или GeS) являются хорошими стеклообразователями и формируют стекло в широких концентрационных диапазонах. Способность к стеклообразованию снижается с увеличением молярной массы составляющих элементов, то есть S > Se > Te. Халькогенидные соединения, такие как AgInSbTe и GeSbTe, используются в перезаписываемых оптических дисках и устройствах памяти с переключением фаз. Они являются хрупкими стеклообразователями: путём контроля нагрева и отжига (охлаждения) их можно переводить между аморфным (стекловидным) и кристаллическим состоянием, тем самым изменяя их оптические и электрические свойства и обеспечивая хранение информации.

Химия

Большинство стабильных бинарных халькогенидных стекол являются соединениями халкогена и элементов 14 или 15 группы и могут формироваться в широком диапазоне атомных соотношений. Также известны тернарные стекла. Не все халькогенидные составы существуют в стеклообразном состоянии, однако можно найти материалы, с которыми эти не стеклообразующие составы можно легировать для формирования стекла. Примером этого служат стекла на основе сульфида галлия. Сульфид галлия(III) сам по себе не является стеклообразующим веществом; однако, в сочетании с сульфидами натрия или лантана он образует стекло – сульфид галлия-лантана (GLS). До недавнего времени считалось, что халькогенидные стекла (ChG) преимущественно состоят из ковалентно связанных атомов и классифицируются как ковалентные сетевые твердые тела. Однако, недавнее и чрезвычайно масштабное университетское исследование, охватившее более 265 различных элементарных составов ChG, представляющих 40 различных семейств элементов, показало, что подавляющее большинство халькогенидных стекол точнее описывать как материалы, в которых преобладают более слабые силы Ван-дер-Ваальса, и классифицировать как твердые тела с Ван-дер-Ваальсовой структурой. Они не связаны исключительно этими слабыми силами Ван-дер-Ваальса, и демонстрируют различную степень ковалентности, зависящую от их конкретного химического состава.

Приложения

[[Файл:CD RW bottom. jpg|thumb|right|CD-RW (CD). Аморфные халькогенидные материалы лежат в основе технологии твердотельной памяти CD и DVD, а также электронно-индуцированного изменения диэлектрической проницаемости.

Некоторые халькогенидные материалы испытывают термически обусловленные переходы из аморфного в кристаллическое состояние. Это делает их полезными для кодирования двоичной информации на тонких пленках халькогенидов и является основой для перезаписываемых оптических дисков и энергонезависимых устройств памяти, таких как PRAM. Примерами таких материалов, изменяющих фазовое состояние, являются GeSbTe и AgInSbTe. В оптических дисках слой, изменяющий фазу, обычно помещается между диэлектрическими слоями ZnS и диоксида кремния (SiO2), иногда с добавлением слоя, способствующего кристаллизации. Другие, менее распространенные материалы включают InSe, SbSe, SbTe, InSbSe, InSbTe, GeSbSe, GeSbTeSe и AgInSbSeTe. Intel утверждает, что его технология памяти 3D XPoint на основе халькогенидов обеспечивает пропускную способность и долговечность записи в 1000 раз выше, чем у флеш-памяти. Электрическое переключение в халькогенидных полупроводниках было обнаружено в 1960-х годах, когда было установлено, что аморфный халькогенид демонстрирует резкие, обратимые изменения электрического сопротивления при превышении порогового напряжения. Если ток продолжает протекать через некристаллический материал, он нагревается и переходит в кристаллическое состояние. Это эквивалентно записи информации. Кристаллическая область может быть расплавлена под воздействием кратковременного, интенсивного теплового импульса. Последующее быстрое охлаждение возвращает расплавленную область через стеклообразный переход. И наоборот, тепловой импульс меньшей интенсивности и большей продолжительности кристаллизует аморфную область. Попытки индуцировать стеклообразно-кристаллический переход халькогенидов электрическим путем лежат в основе фазовой оперативной памяти (PC RAM). Эта технология была доведена до стадии, близкой к коммерческому использованию, компанией ECD Ovonics. Для операций записи электрический ток обеспечивает тепловой импульс. Процесс чтения выполняется при напряжениях ниже порогового значения, используя относительно большую разницу в электрическом сопротивлении между стеклообразным и кристаллическим состояниями. Примерами таких материалов, изменяющих фазовое состояние, являются GeSbTe и AgInSbTe. Помимо применения в памяти, контраст механических свойств между аморфными и кристаллическими фазами является перспективной концепцией настройки частоты в резонансных наноэлектромеханических системах.

Исследования

Полупроводниковые свойства халькогенидных стекол были открыты в 1955 году Б. Т. Коломийцем и Н. А. Горуновой из Института Иоффе, СССР.