Ge10Se90-xSbx玻璃的物理光学性能

Atul K Kukreti^{1 *}希尔帕·古普塔¹， Manish Saxena¹还有尼克尔·拉斯托吉²

印度北方邦莫拉达巴德市莫拉达巴德理工学院ASH系助理教授
印度北方邦莫拉达巴德IFTM大学理学院主任

摘要

锑掺杂硫系玻璃在非线性和光电应用方面显示出巨大的潜力。为了寻找用于红外光学的最佳玻璃，对新的三元Ge10Se90-xSbx (x = 0,3,6,9,12,15,18,21,24)体系的物理参数变化进行了理论研究。利用Ge10Se80Sb10的透射光谱研究了该材料的吸收和折射率。从体系的平均配位数、凝聚能、玻璃化转变温度和透射谱等方面研究了Sb(取代Se)在体系中的组成变化。

关键字

硫系玻璃，玻璃转变温度，透射光谱，折射率，光学带隙。

介绍

元素周期表S、Se、Te中的第VI族元素与更多的正电元素锑(Sb)形成了一类特殊的硫系玻璃。硫族化合物的相变特性使其成为全光学器件[1]中极具吸引力的候选材料。硫根玻璃一般是粘结性较弱的氧化物玻璃材料。Se- Sb合金提高了合金[2]的耐蚀性和光学灵敏度。在Se中加入Ge和Sb使该材料对2 ~ 16 μm[3]的红外辐射具有较低的透射损耗和较高的透明度。Ge-Se和Sb-Se玻璃不仅具有较高的非线性和折射率，而且具有较好的热机械性能和化学性能，是很有前途的红外光纤材料。这些材料的多种性能使我们选择了这种成分，并研究了Sb的加入对Ge- Sb - se玻璃物理性能的影响。物理解释和他们的结果表明Ge10Se90-xSbx (x = 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24)交联最稳定。在玻璃合金中加入金属杂质可以提高其导电性，非常适合于器件的制造。

2材料与方法

采用热蒸发技术沉积了Ge10Se80Sb10薄膜。用双束紫外-可见-近红外分光光度计测定了这些薄膜的透射光谱。狭缝宽度保持在1 nm，所有测量均在室温(300K)下进行。透过率和反射率的测量是在双束分光光度计上进行的，范围为400 nm至900 nm。几乎所有的记录分光光度计都采用双光束原理，并通过适当使用伺服电机实现自动控制。在双光束分光光度计中，一束提供参考信号，另一束提供测量信号。坯料(参考)放在第一束，样品放在第二束。通过在测量时间歇或连续地参考参考光束，由于施加电压的波动和漂移、源强度检测器响应、放大器增益和其他不规则性而产生的误差，以及毛坯特别设计来补偿的误差，在很大程度上被消除了。单色光源用旋转扇形镜分成两束相同的光束，旋转扇形镜交替通过并反射射向它的光束(在一些分光光度计中)，而在其他一些情况下，使用固定的分裂装置，在这种情况下，需要两个探测器。它们输出的差值或比值被确定、放大并呈现，而在斩波器实现分裂的情况下，检测可以由双探测器或单探测器执行。 In recording spectrophotometer once a sample and a reference are in place and controls are set, it determines and records the absorption curve of sample over one or more spectral ranges. For recording R and T spectral curved over the range 400-900 nm glass slide was used as reference in the present investigations.

3理论研究与讨论

3.1软盘模式和平均配位数的麦克斯韦计数

根据J. C. Phillips的观点，根据最初提出的非晶态共价材料[5]的约束计数参数，考虑Z = 2.4和2.67之间的跃迁可能是有价值的。Phillips给出了机械约束计数算法来解释玻璃的形成趋势。最近邻居之间的最强共价力作为拉格朗日(机械)约束，定义了局部结构(构件)的元素。必须从本质上打破与较远邻国的力量较弱有关的限制，从而导致长期秩序的缺失。著名的Phillips-Thorpe方法是基于原子自由度的数量与原子间力场约束的数量的比较。如果自由度的数量大于约束的数量，则网络为“软盘”;相反，如果网络变得过度约束，应力刚性结构将渗透到整个网络。根据Phillips的理论，当自由度的数量恰好等于约束的数量时，玻璃的形成趋势最大。对于合成Ge10Se90-xSbx (x = 0,3,6,9,12,15,18,21,24)。平均配位数Z采用标准方法[6]计算。

图2显示了对应的Tg随Sb含量增加的变化，这清楚地描绘了当前组合物中Sb含量从0增加到24原子%时玻璃化转变温度的上升。利用化学键法(CBA)[10]计算了体系的凝聚能，其定义为每个原子的无限大物质团簇的稳定能。根据CBA，原子与不同种类的原子更有利地结合，直到原子的所有可用价电子都被填满。键总是按键能递减的顺序形成的，键能在性质上被认为是可加的。异极键能可由关系式[10]计算。

图3:结合能和能带隙随Sb原子%的变化。由上述讨论可得出Eg随Sb含量增加而变化的规律。图3显示，随着Sb浓度从0增加到24个原子%，Eg的值从1.940下降到1.468。

四、光学研究与讨论

4.1透射光谱

Ge10Se80Sb10薄膜的透射光谱表明，三元体系中加入Sb后，透射波长向较长的方向偏移。如图4所示，在光谱的无干扰区域观察到红移。在弱吸收区和中吸收区(α≠0)，透射率的降低主要是由于吸收系数(α)和折射率(n)的影响。在强吸收区，透射率急剧下降，几乎完全是由于α和n的影响，它们的值可以通过额外绘制其他区域的值来估计。

4.2折射率

折射率的变化用原子的极化率来解释。折射率(n)与极化率之间的关系由洛伦兹-洛伦兹[13]所给出

其中n是合金的折射率，αi是极化率，ε0是自由空间的介电常数，Ni是每单位体积的可极化单位数。如图5所示，将Se替换为Sb(不同的可偏振性)会导致体系[14]的折射率发生变化。k值随Sb含量的增加而变化，说明光的损失是由于散射引起的。从krmers - kronig关系中明显可见的位移变化也支持折射率的变化[15,16]。

诉的结论

由于Sb的配位数和原子化热大于Se，导致Sb的平均配位数和总平均键能增加，从而导致玻璃化转变温度升高。由于硫代Se含量的降低和Sb含量的增加，体系的结合能略有增加，能带隙减小。在较高波长下透射光谱的稳定位移变化和折射率的降低使这些材料成为超高带宽信号处理和医用红外光学传感器的潜在候选材料。

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