Ge(SxSe1-x)4和As2(SxSe1-x)3玻璃结构与光学性能的研究

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硫系玻璃是一类重要的非晶态半导体材料,其同时具有玻璃特性、光学特性和半导体特性,广泛应用于信息存储、光学传感、光频转换、信号传输等重要领域,具有广阔的发展前景。Ge(SxSe1-x)4和As2(SxSe1-x)3玻璃是两类具有代表性的硫系玻璃,其热稳定性和化学稳定性良好,结构较为复杂,能够通过控制组成和温度来控制其微结构改变进而影响其性能变化,从而建立材料结构与性能之间的桥梁,是较为理想的研究对象。因此,对Ge(SxSe1-x)4和As2(SxSe1-x)3玻璃结构与光学性能的研究具有重要的意义。  本文采用熔融淬冷法,制备了Ge(SxSe1-x)4和As2(SxSe1-x)3两组三元体系的玻璃。采用拉曼光谱法对玻璃的微观结构进行研究,利用分光光度计测量样品的可见-近红外光学性能,同时结合变温配件,探索硫系玻璃吸收光谱和光学带隙的温度依赖性,采用红外光谱仪结合NKD型光谱仪拟合硫系玻璃样品的折射率色散谱。  在前人的基础上,详细描述了Ge(SxSe1-x)4和As2(SxSe1-x)3玻璃体系的微观结构,解释了振动谱微移的微观机制,结合折射率色散的研究,提出并证明了其网络结构单元的化学序随机分布性。  对样品在不同温度下的吸收谱进行测试,结果表明,随着温度的升高,吸收边发生了明显的红移,说明了本文所研究的硫系玻璃带间电子跃迁方式类似于允许的间接带跃迁。再综合X射线光电子能谱价带谱的分析以及相关学者的EDOS计算结果,我们描述了得到了两种玻璃在带隙附近的电子态密度的结构示意图。  光学带隙随硫族元素组成变化而呈现出的先快后慢的变化规律,这是由于Se原子的引入导致Se的孤对电子形成的非键态的产生以及S、Se之间混合缺陷态的形成使得价带顶快速的上移,而导带底依然主要由S的缺陷态所形成的局域态所组成,综合而言导致了带隙的快速缩小。同时光学带隙的变化也会随 S/Se组分及玻璃体系中阴阳离子的比例相关。  分析了两种玻璃各组分在不同温度下光子能量与吸收函数的关系图,结果表明吸收边都会随着温度的升高向低能方向移动,单位温度变化引起的光学带隙的变化会随着S含量的增加而增加。在低吸收区域,不同温度的吸收都有趋向一致的倾向。我们推测缺陷和无序性出现的带尾局域态以及具有强烈温度依赖的声子是引起该现象的原因。
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