زجاج الكالكوجينيد

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

الزجاج الكالكوجيني (يُنطق " ك" كما في كلمة "كيمياء" ) هو زجاج يحتوي على عنصر أو أكثر من عناصر الكالكوجين الثقيلة ( الكبريت ، السيلينيوم ، أو التيلوريوم ؛ البولونيوم أيضًا عنصر كالكوجيني ثقيل ولكنه شديد الإشعاع بحيث لا يمكن استخدامه). تختلف خصائص المواد الكالكوجينية اختلافًا كبيرًا عن الأكاسيد، ولا سيما فجوات الطاقة المنخفضة فيها ، والتي تُسهم في اختلاف خصائصها البصرية والكهربائية اختلافًا كبيرًا.

تُعدّ الزجاجيات الكالكوجينية الكلاسيكية (وخاصةً تلك القائمة على الكبريت مثل As-S أو Ge-S ) موادّ قوية لتكوين الزجاج، وتوجد هذه الزجاجيات ضمن نطاقات تركيز واسعة. وتقلّ قدرة تكوين الزجاج مع ازدياد الوزن الجزيئي للعناصر المكوّنة لها؛ أي: S > Se > Te.

تُستخدم مركبات الكالكوجينيد، مثل AgInSbTe و GeSbTe، في الأقراص الضوئية القابلة لإعادة الكتابة وأجهزة ذاكرة تغيير الطور . وهي مواد زجاجية هشة ، إذ يمكن تحويلها، من خلال التحكم في التسخين والتلدين (التبريد)، بين حالة غير متبلورة (زجاجية) وحالة متبلورة ، مما يُغير خصائصها البصرية والكهربائية ويُتيح تخزين المعلومات.

كيمياء

معظم أنواع الزجاج الثنائي الكالكوجيني المستقر هي مركبات من الكالكوجين وعنصر من المجموعة 14 أو 15، ويمكن تكوينها بنسب ذرية متنوعة. كما تُعرف أنواع الزجاج الثلاثي. [ 1 ]

لا توجد جميع مركبات الكالكوجينيدات في صورة زجاجية، مع أنه من الممكن إيجاد مواد يمكن مزج هذه المركبات غير المُكوِّنة للزجاج معها لتكوين الزجاج. ومن الأمثلة على ذلك الزجاج القائم على كبريتيد الغاليوم. لا يُعرف عن كبريتيد الغاليوم (III) بمفرده أنه مُكوِّن للزجاج؛ إلا أنه يُكوِّن زجاجًا عند مزجه مع كبريتيدات الصوديوم أو اللانثانوم، وهو زجاج كبريتيد الغاليوم واللانثانوم (GLS).

حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن زجاج الكالكوجينيدات (ChGs) مواد ذات روابط تساهمية في الغالب ، وتُصنف ضمن المواد الصلبة ذات الشبكة التساهمية . إلا أن دراسة جامعية حديثة وشاملة للغاية، أجريت على أكثر من 265 تركيبة عنصرية مختلفة من زجاج الكالكوجينيدات، تمثل 40 عائلة عنصرية مختلفة، تُظهر أن الغالبية العظمى من زجاج الكالكوجينيدات تُعرَّف بدقة أكبر بأنها ذات روابط تساهمية أضعف، وفقًا لقوانين الفيزياء الذرية، وتُصنف بدقة أكبر ضمن المواد الصلبة ذات الشبكة التساهمية . فهي لا ترتبط حصريًا بهذه القوى الأضعف، بل تُظهر نسبًا متفاوتة من الروابط التساهمية، بناءً على تركيبها الكيميائي المحدد. [ 2 ]

التطبيقات

قرص مضغوط قابل لإعادة الكتابة ( CD-RW ). تشكل مواد الكالكوجينيد غير المتبلورة أساس تقنية ذاكرة الحالة الصلبة للأقراص المضغوطة وأقراص DVD القابلة لإعادة الكتابة. [ 3 ]

وتشمل الاستخدامات أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء، والبصريات القابلة للتشكيل بالأشعة تحت الحمراء مثل العدسات ، والألياف البصرية بالأشعة تحت الحمراء ، وتتمثل الميزة الرئيسية في أن هذه المواد تنقل عبر نطاق واسع من الطيف الكهرومغناطيسي بالأشعة تحت الحمراء .

تُعدّ الخصائص الفيزيائية لزجاج الكالكوجينيد (معامل انكسار عالٍ، طاقة فونون منخفضة، لاخطية عالية) مثاليةً لدمجه في الليزر ، والبصريات المستوية، والدوائر المتكاملة الضوئية ، وغيرها من الأجهزة النشطة، لا سيما عند تطعيمه بأيونات العناصر الأرضية النادرة . ويُظهر بعض زجاج الكالكوجينيد العديد من التأثيرات البصرية اللاخطية، مثل الانكسار الناتج عن الفوتونات [ 4 ] وتعديل السماحية الناتج عن الإلكترونات [ 5 ].

تخضع بعض مواد الكالكوجينيدات لتغيرات طورية حرارية من الحالة غير المتبلورة إلى الحالة المتبلورة. وهذا ما يجعلها مفيدة لترميز المعلومات الثنائية على أغشية رقيقة من الكالكوجينيدات، ويشكل أساس الأقراص الضوئية القابلة لإعادة الكتابة [ 3 ] وأجهزة الذاكرة غير المتطايرة مثل PRAM . ومن أمثلة هذه المواد المتغيرة الطور GeSbTe و AgInSbTe . في الأقراص الضوئية، عادةً ما تكون طبقة تغيير الطور محصورة بين طبقتين عازلتين من ZnS - SiO₂.٢ ، وأحيانًا مع طبقة من غشاء مُعزز للتبلور.ومن المواد الأخرى الأقل استخدامًا في هذا الصدد:InSe،وSbSe،وSbTe،وInSbSe،وInSbTe،وGeSbSe،وGeSbTeSe،وAgInSbSeTe. [ ٦ ]

تزعم شركة إنتل أن تقنية الذاكرة ثلاثية الأبعاد XPoint القائمة على الكالكوجينيد تحقق إنتاجية ومتانة كتابة أعلى بـ 1000 مرة من ذاكرة الفلاش .

ظهرت خاصية التبديل الكهربائي في أشباه الموصلات الكالكوجينية في الستينيات، عندما تم استخدام الكالكوجينيد غير المتبلور Te48 كما30 سي12 جيجاوُجد أن المادة 10 تُظهر تحولات حادة وعكسية في المقاومة الكهربائية فوق جهد عتبة معين. إذا استمر التيار في المادة غير البلورية، فإنها تسخن وتتحول إلى شكل بلوري، وهو ما يُعادل كتابة المعلومات عليها. يمكن صهر منطقة بلورية بتعريضها لنبضة حرارية قصيرة ومكثفة، ثم يُعيد التبريد السريع اللاحق المنطقة المنصهرة إلى حالة التحول الزجاجي. في المقابل، تُؤدي نبضة حرارية أقل كثافة وأطول مدة إلى تبلور منطقة غير متبلورة. تُشكل محاولات تحفيز التحول الزجاجي البلوري للكالكوجينيدات بالوسائل الكهربائية أساس ذاكرة الوصول العشوائي لتغيير الطور (PC-RAM). وقد طورت شركةECD Ovonics. في عمليات الكتابة، يُوفر تيار كهربائي نبضة حرارية، بينما تُجرى عملية القراءة عند جهود أقل من جهد العتبة بالاستفادة من الفرق الكبير نسبيًا في المقاومة الكهربائية بين الحالتين الزجاجية والبلورية. ومن أمثلة هذه المواد المُغيرة للطورGeSbTeوAgInSbTe.

بالإضافة إلى تطبيقات الذاكرة، يُعد التباين في الخصائص الميكانيكية بين الأطوار غير المتبلورة والمتبلورة مفهومًا ناشئًا لضبط التردد في الأنظمة النانوية الكهروميكانيكية الرنانة . [ 7 ]

بحث

تم الكشف عن الخصائص شبه الموصلة لزجاج الكالكوجينيد في عام 1955 بواسطة بي تي كولوميتس وإن إيه غورونوفا من معهد يوف ، الاتحاد السوفيتي. [ 8 ] [ 9 ]

على الرغم من تسليط الضوء بقوة على التحولات البنيوية الإلكترونية ذات الصلة بكل من الأقراص الضوئية وذاكرة الوصول العشوائي للحواسيب الشخصية (PC-RAM)، إلا أن مساهمات الأيونات لم تُؤخذ في الاعتبار، حتى مع أن الكالكوجينيدات غير المتبلورة قد تتمتع بموصلية أيونية كبيرة. في مؤتمر يورومات 2005، تبيّن أن النقل الأيوني يمكن أن يكون مفيدًا أيضًا لتخزين البيانات في إلكتروليت كالكوجينيد صلب. على المستوى النانوي، يتكون هذا الإلكتروليت من جزر معدنية بلورية من سيلينيد الفضة ( Ag).2 Se) منتشرة في مصفوفة شبه موصلة غير متبلورة منسيلينيد الجرمانيوم(Ge2 Se3 ).

شكّلت التطبيقات الإلكترونية لزجاج الكالكوجينيد موضوعًا بحثيًا نشطًا طوال النصف الثاني من القرن العشرين وما بعده. فعلى سبيل المثال، تُعدّ هجرة الأيونات المذابة ضرورية في التحليل الكهربائي، ولكنها قد تحدّ من أداء جهاز تغيير الطور. ويشارك كلٌّ من انتشار الإلكترونات والأيونات في الهجرة الكهربائية، التي دُرست على نطاق واسع كآلية لتدهور الموصلات الكهربائية المستخدمة في الدوائر المتكاملة الحديثة. لذا، قد يكون اتباع نهج موحد لدراسة الكالكوجينيدات، يُقيّم الأدوار الجماعية للذرات والأيونات والإلكترونات، أمرًا بالغ الأهمية لأداء الجهاز وموثوقيته. [ 10 ] [ 11 ]

مراجع

  1. ↑ فليمنجز، إم سي؛ إيلشنر، بي؛ كرامر، إي جيه؛ ماهاجان، إس؛ يورغن بوشو، كيه إتش؛ كان، آر دبليو (2001). موسوعة المواد: العلوم والتكنولوجيا . إلسيفير.
  2. ↑ آر إيه لوريتز، تي جيه لوريتز، وكيه إيه ريتشاردسون، "طريقة تنبؤية لتقييم خصائص زجاج الكالكوجينيد: الترابط، والكثافة، وتأثيرها على خصائص الزجاج"، مجلة المواد البصرية السريعة، 12:5، (2022)، https://doi.org/10.1364/OME.455523
  3. 1 2 جرير، أ. ليندسي؛ ماثور، ن. (2005). "علم المواد: الوجه المتغير للحرباء" . مجلة نيتشر . 437 (7063): 1246-1247 . Bibcode : 2005Natur.437.1246G . doi : 10.1038/4371246a . PMID 16251941 . 
  4. ↑ تاناكا، ك.؛ شيماكاوا، ك. (2009). "زجاج الكالكوجينيد في اليابان: مراجعة للظواهر المحفزة ضوئيًا". مجلة فيزياء الحالة الصلبة ب . 246 (8): 1744-1757 . رمز Bibcode : 2009PSSBR.246.1744T . doi : 10.1002/pssb.200982002 . S2CID 120152416 . 
  5. ^ سان رومان أليريجي، داميان ب. أنجوم، دالافير ه.؛ تشانغ، يابينغ. يانغ، شياو مينغ؛ بنسليمان، أحمد؛ نغ، تيان ك.؛ السنيدي، محمد؛ أوي، بون س. (2013). "تسبب تشعيع الإلكترون في تقليل السماحية في زجاج الكالكوجينيد (As[sub 2]S[sub 3]) في الأغشية الرقيقة". تطبيق J. فيز . 113 : 044116. أرخايف : 1208.4542 . دوى : 10.1063/1.4789602 . S2CID 35938832 . 
  6. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 6511788 ، "قرص بصري متعدد الطبقات"، صدرت بتاريخ 28 يناير 2003 
  7. ↑ علي، أوتكو إمري؛ مودي، غاوراف؛ أغاروال، ريتيش؛ بهاسكاران، هاريش (18 مارس 2022). "تعديل الخصائص النانوية الميكانيكية في الوقت الحقيقي كإطار عمل لأنظمة نانوية ميكانيكية قابلة للضبط" . مجلة نيتشر كوميونيكيشنز . 13 (1): 1464. رمز Bibcode : 2022NatCo..13.1464A . doi : 10.1038/ s41467-022-29117-7 . ISSN 2041-1723 . PMC 8933423. PMID 35304454 .   
  8. ↑ كولوميتس، بي تي (1964). "أشباه الموصلات الزجاجية (1)". فيزيكا ستاتوس سوليدي بي . 7 (2): 359-372 . رمز Bibcode : 1964PSSBR...7..359K . doi : 10.1002/pssb.19640070202 . S2CID 222432031 . 
  9. ↑ كولوميتس، بي تي (1964). "أشباه الموصلات الزجاجية (2)". فيزيكا ستاتوس سوليدي بي . 7 (3): 713-731 . رمز Bibcode : 1964PSSBR...7..713K . doi : 10.1002/pssb.19640070302 .
  10. ↑ أوفشينسكي، إس آر (1968). "ظواهر التبديل الكهربائي العكسي في الهياكل غير المنتظمة". مجلة Physical Review Letters ، 21 ( 20): 1450-1453 . Bibcode : 1968PhRvL..21.1450O . doi : 10.1103/PhysRevLett.21.1450 .
  11. ↑ أدلر، د.؛ شور، م.س.؛ سيلفر، م.؛ أوفشينسكي، س.ر. (1980). "التحول العتبي في الأغشية الرقيقة من زجاج الكالكوجينيد". مجلة الفيزياء التطبيقية . 51 (6): 3289-3309 . Bibcode : 1980JAP....51.3289A . doi : 10.1063/1.328036 .فيزولي، جي سي؛ والش، بي جيه؛ دوريموس، إل دبليو (1975). "التبديل العتبي وحالة التشغيل في أشباه الموصلات الكالكوجينية غير المتبلورة: تفسير لأبحاث التبديل العتبي". مجلة المواد الصلبة غير المتبلورة . 18 (3): 333-373 . Bibcode : 1975JNCS...18..333V . doi : 10.1016/0022-3093(75)90138-6 .

للمزيد من القراءة

  • زاكيري، أ.؛ إس آر إليوت (2007). اللاخطية البصرية في زجاج الكالكوجينيد وتطبيقاتها . نيويورك: سبرينغر. ISBN 9783540710660.
  • فرومار، م.؛ فروماروفا، ب.؛ فاغنر، ت. (2011). "4.07: الكالكوجينيدات شبه الموصلة غير المتبلورة والزجاجية". في: بالاب بهاتاشاريا؛ روبرتو فورناري؛ هيروشي كاميمورا (محررون). العلوم والتكنولوجيا الشاملة لأشباه الموصلات . المجلد  4. إلسيفير. الصفحات 206-261 . doi : 10.1016/B978-0-44-453153-7.00122-X . ISBN  9780444531537.