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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2881 (2023) Citare questo articolo

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I materiali a cambiamento di fase, che dimostrano un rapido passaggio tra due stati distinti con un netto contrasto nelle proprietà elettriche, ottiche o magnetiche, sono vitali per i moderni dispositivi fotonici ed elettronici. Ad oggi, questo effetto è osservato nei composti calcogenuri a base di Se, Te o entrambi e, più recentemente, nella composizione stechiometrica di Sb2S3. Tuttavia, per ottenere la migliore integrabilità nella moderna fotonica ed elettronica, è necessario il mezzo misto di cambiamento di fase S/Se/Te, che consentirebbe un ampio intervallo di regolazione per proprietà fisiche importanti come stabilità della fase vetrosa, radiazione e fotosensibilità, gap ottico , conduttività elettrica e termica, effetti ottici non lineari, nonché la possibilità di modifica strutturale su scala nanometrica. In questo lavoro, una commutazione da alta a bassa resistività indotta termicamente al di sotto di 200 ° C è dimostrata negli equicalcogenuri ricchi di Sb (contenenti S, Se e Te in proporzioni uguali). Il meccanismo su scala nanometrica è associato all'interscambio tra la coordinazione tetraedrica e ottaedrica degli atomi di Ge e Sb, la sostituzione di Te nell'ambiente di Ge più vicino con S o Se e la formazione di legami Sb-Ge/Sb dopo ulteriore ricottura. Il materiale può essere integrato in piattaforme multifunzionali basate su calcogenuro, sistemi computazionali neuromorfici, dispositivi fotonici e sensori.

I materiali a cambiamento di fase (PCM) calcogenuri sono noti per il loro comportamento unico durante il passaggio dallo stato amorfo a quello cristallino1,2,3. I cambiamenti marcati che si accompagnano alle proprietà di trasporto ottico ed elettronico che si verificano su una scala temporale di nanosecondi hanno gettato le basi per molte applicazioni dei PCM in dispositivi di archiviazione dati, meta-ottica riconfigurabile, interruttori ottici, emettitori e assorbitori sintonizzabili, fotonica non volatile, anche nel calcolo fotonico neuromorfico1, 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Transizioni rapide e reversibili tra stati altamente resistivi e conduttivi (solitamente cambiamenti di resistività di diversi ordini di grandezza) che si verificano a temperature moderatamente elevate sono particolarmente interessanti per i dispositivi di memoria di nuova generazione1,2,13. Fino ad oggi, la ricerca si è concentrata principalmente sui PCM provenienti da composizioni ternarie Ge-Sb-Te (GST) con diverse concentrazioni di elementi costitutivi, inclusi composti di confine Ge-Te (come GeTe) e Sb-Te (eutettici Sb69Te31, Sb40Te60 o simili)1 ,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Recentemente, l'introduzione di Se in questa matrice ha portato alla scoperta della famiglia di PCM Ge-Sb-Se-Te (GSST), dove un soddisfacente effetto di memoria del cambiamento di fase nelle proprietà elettriche e ottiche è stato combinato con il vantaggio di una formazione del vetro significativamente migliorata capacità e trasparenza ottica nell'intervallo di lunghezze d'onda da 1,0 a 18,5 μm4. In linea di principio, questo risultato segue il comportamento atteso quando Te viene sostituito con Se in sistemi calcogenuri multinari14,15,16,17. Inoltre, attraverso l'analisi delle applicazioni e delle proprietà fisiche dei vari calcogenuri, si può notare che ciascun tipo di calcogeno (S, Se o Te) apporta la propria funzionalità distinta nel composto17,18,19,20. Pertanto, i principali fattori determinanti per l'aggiunta di Se nella composizione sono la migliore capacità di formazione del vetro e una trasparenza ottica generalmente più elevata17,18,19; È noto che il Te promuove un'alterazione di valenza e, pertanto, aumenta la varietà di possibili motivi strutturali e di affinità di cristallizzazione17,18,19,20,21; S viene solitamente utilizzato per migliorare la sensibilità ai fattori esterni o potenziare gli effetti ottici non lineari22,23,24. Seguendo questa tendenza, possiamo sostenere che includere lo zolfo nella composizione del PCM insieme a Se e Te potrebbe aggiungere nuove funzionalità non esplorate finora in questa classe di materiali. Tale supposizione si basa su una recente rinascita di antimonio e germanio contenenti solfuri e seleniuri, che vengono proposti come mezzo prospettico per meta-pixel dinamici commutabili, ad alta saturazione, ad alta efficienza e ad alta risoluzione per meta-display migliorati (Sb2S3 e Sb2Se3 )25, formazione di percorsi monocristallini sotto irradiazione laser (SbSI)26,27, guide d'onda 3D (Ge23Sb7S70)28, batterie al litio a stato solido (Ga2S3 modificato Ge33S67)29 e fotonica vetro su grafene30. Recentemente, è stato dimostrato che anche i composti Sb2S3 e Sb2Se3 possiedono un effetto memoria di cambiamento di fase31,32. Tutti questi progressi sono possibili grazie alle proprietà fisiche uniche dei solfuri, come un gap ottico relativamente ampio, un elevato indice di rifrazione, basse perdite ottiche ed elevata sensibilità ai fattori esterni. I vetri calcogenuri a base di solfuro possiedono anche una solubilità soddisfacente di vari ioni di terre rare, che li rende adatti per amplificatori in fibra ottica e applicazioni di dispositivi di conversione dell'energia17,21,33,34,35.