Ge-As-Se材料玻璃转变前后结构模拟研究

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随着信息时代的飞速发展,计算机模拟已经在航天、军事、医疗等领域崭露头角,常应用于新材料设计以及性能分析预测。Ge-As-Se材料由于具有极宽的红外透过区域、较低的声子能量、优异的非线性品质因数和超快的非线性响应时间等优良特性,引起人们的广泛关注。由于Ge-As-Se非晶材料结构弛豫较大,会造成器件性能不稳定,限制其商用价值的发挥。因此,如何对Ge-As-Se材料结构进行准确、全面的描述和表征至关重要。传统的实验手段可以提供一些认知Ge-As-Se材料的方法和手段,但是还存在一些局限性,不能很全面、深入的了解Ge-As-Se材料结构转变。对Ge-As-Se材料的玻璃转变前后过程完整的结构变化进行研究,可以很全面地了解和认知Ge-As-Se材料的结构和性能。本文主要利用反蒙特卡洛模拟结合中子衍射实验数据,再进行分子动力学模拟的计算模拟方法,对Ge-As-Se玻璃转变前后完整过程的结构信息进行表征和描述,简要讨论结构变化的原因,通过计算模拟手段辅助实验,更深刻、全面地了解和认知Ge-As-Se材料。具体研究内容和获得结果如下:(1)用磁控溅射法和熔融冷却法分别制备了三组Ge3As24Se73、Ge11.5As24Se64.5、Ge20As24Se56玻璃和薄膜样品。对制备的Ge-As-Se材料样品进行传统实验测试,并对Ge-As-Se材料结构进行定性分析和表征。制备的薄膜样品在误差允许范围之内,符合研究的目标组分;三组薄膜的最大透过率均超过60%;Ge-As-Se薄膜光学带隙分别为:0.52 eV、0.49 eV、0.46 eV,随Ge含量增加而逐渐减少;Ge-As-Se玻璃未见明显析晶,制备样品品质较好;Ge-As-Se玻璃Raman光谱与Ge-As-Se薄膜Raman光谱差别不大,说明Ge-As-Se薄膜和玻璃结构相似。(2)研究了Ge-As-Se材料玻璃转变前后完整过程的结构变化情况,尝试通过对玻璃转变整个过程结构的变化机制来全面、完整地认知Ge-As-Se材料结构信息。利用中子衍射数据,探究Ge-As-Se玻璃材料结构随温度的变化情况。研究发现:在玻璃转变过程中,中子衍射结构因子S(Q)变化比较缓慢,推测可能是局域结构变化的原因。Ge3As24Se73随着温度变化,朝着同一方向变化;Ge11.5As24Se64.5随温度变化不明显;Ge20As24Se56在玻璃转变温度以下,结构稳定。(3)引入结合实验数据的反蒙特卡洛(Reverse Monte Carlo,RMC)和分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟两种计算模拟方法,尝试从原子成键、键角分布等微观尺度对于Ge-As-Se材料的结构进行描述和表征,并简要探究了结构变化的原因。Ge3As24Se73在玻璃转变前后发生了中程序结构的变化,主要归咎于As-As同极键作用;Ge11.5As24Se64.5材料对温度变化不敏感,结构比较稳定;Ge20As24Se56在玻璃转变温度及以下结构稳定。最后,对计算模拟工作进行总结并对不足之处进行展望,如考虑边界上的重复原子,优化体系分割程序,使得分割的结果更加合理;对更多温度点的结果进行对比,更加准确、完整地描述Ge-As-Se材料玻璃转变过程中完整的结构转变信息。
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