Лаборатория нейроморфных оптических систем

МегагрантКоллективИсследованияЧистое помещениеОборудование

Статья Bulk Glassy GeTe2: A Missing Member of the Tetrahedral GeX2 Family and a Precursor for the Next Generation of Phase-Change Materials опубликована в журнале Chemistry of Materials

Авторов: A. Tverjanovich, M. Khomenko, C. J. Benmore, M. Bokova, A. Sokolov, D. Fontanari, M. Kassem, T. Usuki, E. Bychkov

Стекловидный дисульфид германия GeS2 и диселенид GeSe2 относятся к каноническим халькогенидным стеклам, которые широко изучались за последние полвека. Их высокотемпературные ромбические полиморфы представляют собой конгруэнтно плавящиеся соединения, а тетраэдрическая структура кристаллов и стекла в значительной степени сохраняется в расплаве. Напротив, дителлуридный аналог отсутствует на фазовой диаграмме Ge-Te, которая показывает только одно соединение, монотеллурид GeTe. Фазоизменяемые материалы на основе GeTe стали технологически важным классом твердых тел, их структура и свойства также широко изучаются. Удивительно, но для сплавов, имеющих стехиометрию GeTe2, имеется очень мало информации. Используя процедуру быстрой закалки в кремнеземных капиллярах, высокоэнергетическую дифракцию рентгеновских лучей и Рамановскую спектроскопию, подтвержденную моделированием из первых принципов, мы показываем, что объемный стекловидный GeTe2 существенно отличается от более легких членов GeX2, обнаруживая 46% тригонального германия, 31% трехкоординированного теллура и только 20% тетраэдров или пирамид с общими ребрами. Доля гомополярных связей Ge-Ge невелика; тем не менее, популяция доминантных димеров Te-Te и олигомеров Te_n, n ≤ 10, кажется значительной. Сложная структурная и химическая топология g-GeTe2 напрямую связана с термодинамической метастабильностью дителлурида германия, схематически представленной следующей реакцией: GeTe2 ⇄ GeTe + Te. Диспропорционирование завершается выше ликвидуса в диапазоне температур перехода полупроводник-металл, и плотная металлическая жидкость GeTe2, в основном состоящая из пятикратно координированных частиц Ge, проявляет высокую текучесть, сильную хрупкость (m = 99 ± 5) и, предположительно, быструю скорость структурных преобразований в сочетании с низкой подвижностью атомов в окрестности температуры стеклования, что способствует надежному долгосрочному хранению данных в энергонезависимой памяти. Наблюдаемые и предсказанные характерные особенности делают GeTe2 многообещающим прекурсором для следующего поколения материалов с фазовым переходом, особенно в сочетании с дополнительным легированием металлами, деполимеризацией тетраэдрической взаимосвязанной стеклянной сетки и ускорением (суб) наносекундной кристаллизации.

Статья «Glassy GaS: transparent and unusually rigid thin films for visible to mid-IR memory applications» опубликована в журнале «Physical Chemistry Chemical Physics» и была выбрана PCCP HOT ARTICLE

Authors: Andrey Tverjanovich, Maxim Khomenko, Sergei Bereznev, Daniele Fontanari, Anton Sokolov, Takeshi Usuki, Koji Ohara, David Le Coq, Pascal Masselin, and Eugene Bychkov

Тонкие пленки GaS, полученные методом импульсного лазерного осаждения, демонстрируют хорошую прозрачность от видимого до среднего ИК диапазона спектра с оптической запрещенной зоной 𝐸g = 2.34 эВ, высоким показателем преломления 𝑛R = 2.50 в диапазоне 0.8 ≤ λ ≤ 2.5 мкм. и, в отличие от традиционных халькогенидных стекол, отсутствием фото-индуцированных структурных преобразований с порогом повреждения пиковой плотности мощности лазерным излучением выше 1.4 ТВт*см-2 на длине волны 780 нм. Источником превосходного порога разрушения для мощного лазера и УФ-излучения является жесткая тетраэдрическая структура стекловидного GaS, наличие которой подтверждено методами дифракции рентгеновских лучей высоких энергий, спектроскопией комбинационного рассеяния и моделированием из первых принципов. Среднее локальное координационное число, по всей видимости〈𝑚〉 = 3.44, что значительно выше оптимальной связности, 2.4 ≤ 〈𝑚〉 ≤ 2.7, а общий объем микроскопических пустот и полостей составляет 34.4%, то есть ниже, чем для подавляющего большинства бинарных халькогенидных стекол.

Моделирование из первых принципов структуры GaS — материала с фазовой памятью

Нагрев с 300 К до 1100КСравнение динамики после отжига при температуре 300K и 1100К.
Хорошо видно, что термические колебания при низкой температуре структурируют атомы, а при высокой — наоборот разрывают связи.Нагрев GaS с 300К до 800K и последующее охлаждение.
Видно, что после высокотемпературного отжига формируется структурированная фаза.

Исследование производительности оборудования для расчетов молекулярной динамики

Показана линейная зависимость времени счета от числа атомов при расчете с использованием классического потенциала. Также найдено необходимое число процессоров для заданного числа атомов материала и приемлемого времени счета.

Найденные зависимости позволяют использовать оптимальное число атомов материала и оценивать необходимость обновления имеющегося оборудования.