The effect of the structure on the physical properties in GexAs10Se90-x glasses

Abstract

We have prepared a group of GexAs10Se90-x glass(x=5, 10, 15, 20, 25, 30, and 35 at. %) and investigated their structure and physical properties. It was found that, the minimum refractive index and maximum optical bandgap occur in Ge25As10Se65 glass that is chemically stoichiometric. Analysis of Raman spectra of the glasses indicated that the number of the Ge-Ge, As-As, and Se-Se homopolar bonds is closely related to the bandgap, because the band-tails formed by homopolar bonds could reduce the optical bandgap. The transition behavior of the structural units and physical properties of the glasses occurs at the glass with the chemically stoichiometric composition, and thus the chemical composition dominates physical properties of GexAs10Se90-x chalcogenide glasses

Structural evolution of Ge₂₀Se_80–_<i>x</i>Te_<i>x</i> glass networks and assessment of glass properties by theoretical bandgap

“…硫系玻璃近年来在红外成像器件中的装配量呈爆发式增长，相比于传统晶体 材料 Ge、ZnS、Si、GaAs 等，硫系玻璃所具备的独特优势在于极大范围可调的 物理与光学性能，以及可加工性和低成本 [1] 。综合 S 基、Se 基、Te 基硫系玻璃 体系，其红外透过范围可完全跨域短波红外、中波红外以及长波红外，尤其是在 中远红外领域可谓是独占鳌头 [2][3][4] 。通过调整不同元素组成及其化学计量比，硫 系玻璃的折射率可从 2.0-3.5 连续变化，其热膨胀系数、折射率温度系数等也相 应可调，这为红外光学系统提供了巨大的设计自由度 [5] 。此外，极高的非线性折 射率、低声子能量、可精密模压和光纤拉丝等特性也使得硫系玻璃的应用空间极 广且自成体系。因此，尽管硫系玻璃的研究历史远短于其它红外晶体材料，但其 研究热度和价值正快速赶超。 Se 基玻璃的透过区域覆盖短波红外至长波红外， 是目前热红外成像系统中透 镜材料的主流选择，例如 Ge33As12Se55、Ge10As40Se50、As40Se60 等组分已广泛使 用且商业成熟。但随着红外器件的小型化、轻量化，红外系统对具备高折射率、 不同色散性能和折射温度系数等特性的材料提出了强烈需求， 例如基于高折射率 材料的透镜能够大幅缩短焦距， 基于特殊色散属性或负折射率温度系数的透镜具 有更高的色散/色差校正能力等 [6] 。而单 Se 基硫系玻璃因性能局限性已不能满足 因"8-N"规则在硫系玻璃的配位形成过程中认为是严格执行的 [7,8] 。大量研究证实 在硫系玻璃中通过建立平均配位数而发现了几个典型阈值的转变 [9][10][11][12] ， Phillips 等 人认为<r>=2.4 是硫系玻璃的刚性渗透阈值，若<r>值小于 2.4，玻璃网络结构是 柔性的，内部多呈现链状或层状，反之则往刚性发展，并且随着<r>值的增加刚 性程度不断增加，极限情况下，<r>=4 时，形成晶体网络结构，晶体 Ge 便是这 种结构的完美证明 [13] 。通过建立<r>值，硫系玻璃体系可与其自身物理、光学特 性等参数建立函数关系，据此关系可分析更多玻璃组分所具有的特性。然而，若 体系中存在 2 种及以上的同族元素(如 S、Se、Te)，因 其配位数不变(均为 2)， <r>值便不适用于区分该组分间的差异。另一方面，键能(E)和平均键能(<E>) 同样显示出很强的结构-性质相关性，也被用于预测玻璃性能和评估成分趋势 [14,15] 。L. Tichý等人建立了 Tg 和<E>之间的良好相关性：Tg≈311×(<E>-0.9)，这与阿 伦尼乌斯粘度方程中的粘性流动和活化能关系如出一辙 [16] 依据化学成键规则(CBA 规则) [17] ，键能主导了共价网络结构的成键顺序， 并且异类原子的成键优先级往往高于同类原子，即异极键优先于同极键，通过该 方法可以估算体系中共价键的数量和类型。异极键的键能(E(A-B))可用 Pauling 方程计算 [18] ： Tichy 等人 [16] 将硫系玻璃组分的化学计量比分为三种状态， 以 GexSeyTe1-x-y…”