Халькогениды были названы так потому, что в природе чаще всего встречаются (кроме кислорода) в виде соединений меди (сульфидов, теллуридов). Большинство соединений с переходными металлами труднорастворимы [10].
Халькогениды являются исходными материалами для создания методом резистивного или электронно-лучевого испарения прозрачных тонкопленочных интерференционных покрытий, изменяющих и регулирующих оптические свойства деталей из стекла, кварца, монокристаллов.
Основное их применение - изготовление однослойных и многослойных (в качестве компонент высокого преломления) оптических покрытий, охватывающих видимый и инфракрасный диапазоны спектра. Для выполнения просветляющей (антиотражающей) и отражающей функций, в роли интерференционных фильтров, светоделителей, диэлектрических и защитных покрытий в системах оптического приборостроения различного назначения (например, в качестве диэлектрических отражающих покрытий на разные области спектра и в ряде других применений).
Полупроводниковые свойства халькогенидных материалов обуславливают их использование в интерференционной оптике в спектральном диапазоне, соответствующем энергиям, меньшим ширины запрещенной зоны. Характерными признаками являются:
- высокое значение показателя преломления;
- высокая относительная плотность пленок;
- хорошее совмещение стандартного материала оптических покрытий для видимой и инфракрасной областей, каким являются цинксульфид, с другими полупроводниками (получение толстых пленок, обладающих прочностью при работе в инфракрасном диапазоне) и фторидными пленками (повышение эффективности просветления и улучшение эксплуатационных свойств) [1].
Еще одно из применений халькогенидов - это создание phase-changememory - нового типа энергонезависимой памяти - памяти на основе фазового перехода (также известна как PCM, PRAM, PCRAM, OvonicUnifiedMemory, Chalcogenide RAM и C-RAM). PRAM основывается на уникальном поведении халькогенида, который при нагреве может «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным. В последних версиях смогли добавить ещё два дополнительных состояния, эффективно удвоив информационную емкость чипов. PRAM - одна из новых технологий памяти, созданная в попытке превзойти в области энергонезависимой памяти почти универсальную флеш-память, обладающую некоторым количеством практических проблем, решить которые как раз надеялись в PRAM.
Свойства халькогенидов с точки зрения потенциальной технологии памяти впервые были исследованы Стэнфордом Овшинским из компании EnergyConversionDevices в 1960-х. В 1970 года в сентябрьском выпуске Electronics Гордон Мур, один из основателей Intel, опубликовал статью, касающуюся технологии. Однако качество материала и энергопотребление не позволили перевести технологию в коммерческое русло. Уже гораздо позже вновь возник интерес к этой технологии, равно как и исследования по ней, тогда как технологии флеш- и DRAM-памяти (Dynamicrandomaccessmemory - Динамическая память с произвольным доступом) согласно расчетам должны были столкнуться с проблемами масштабирования при уменьшении размерности процессов литографии чипов.
Кристаллическое и аморфное состояния халькогенида кардинально различаются электрическим сопротивлением, а это лежит в основе хранения информации. Аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением, используется для представления двоичного 0, a кристаллическое состояние, обладающее низким уровнем сопротивления, представляет 1. Халькогенид - это тот же самый материал, что используется в перезаписываемых оптических носителях. В таких носителях оптические свойства материала поддаются управлению лучше, чем его электрическое сопротивление, так как показатель преломления халькогенида также меняется в зависимости от состояния материала.
Хотя PRAM пока не достиг коммерческого успеха в области бытовой электроники, почти все прототипы используют халькогениды в сочетании с германием, сурьмой и теллуром, сокращенно именуемыми GST. Стехиометрический состав или коэффициенты элементов Ge:Sb:Te равны 2:2:5. При нагревании GST до высокой температуры его халькогенидная составляющая теряет свою кристаллическую структуру. При остывании она превращается в аморфную стеклоподобную форму, а его электрическое сопротивление возрастает. При нагревании халькогенида до температуры выше его точки кристаллизации, но ниже температуры плавления, он переходит в кристаллическое состояние с существенно более низким сопротивлением. Время полного перехода к этой фазе зависит от температуры. Более холодные части халькогенида дольше кристаллизуются, а перегретые части могут расплавиться. В общем случае, используемое время кристаллизации составляет порядка 100 нс. Это несколько дольше, чем у обычной энергозависимой памяти, как например, современные DRAM-чипы, чье время переключения составляет порядка двух наносекунд. Однако в январе 2006 года корпорация SamsungElectronics запатентовала технологию, свидетельствующую о том, что PRAM может достигать времени переключения в пять наносекунд.
Более поздние исследования Intel и ST Microelectronics позволили контролировать состояние материала более тщательно, позволяя ему превращаться в одно из четырёх состояний: два предыдущих и два новых. Каждое из этих состояний обладает собственными электрическими свойствами, которые могут замеряться при чтении, позволяя одной ячейке хранить два бита, удваивая тем самым плотность памяти [2].
В работе [7] показаны преимущества использования технологий с применением халькогенидных слоев для области применения - оптические коммуникации. В качестве примера рассмотрены схемы переключателей оптоволоконных каналов.
В предложенном в работе примере принципиально важными параметрами являются скорость перемещения отражателя, его масса, форма и технологичность изготовления.
Если требования к быстродействию должны быть определены в единицы микросекунд, то исполнительным устройством для предполагаемого перемещения могут служить пьезоактуаторы, скорости перемещения у которых зависят от частоты колебаний, так что любая закрепленная на них масса снизит их резонансную частоту и соответственно - скорость.
Что касается формы зеркала, то для компенсации астигматизма целесообразно отражать выходящий из волокна свет с помощью внеосевых парабол. Необходимость изготовления внеосевых параболических зеркал и закрепление таких отражателей на пъезоактуаторе представляется если и возможным, то дорогостоящим и не технологичным. Вопрос геометрического формообразования асферических поверхностей рассмотрен авторами в работе [3].
В работах [4, 5] автора [9] подробно рассмотрен вопрос возможности обеспечения контроля оптических деталей методом псевдоцветового кодирования оптических изображений, однако данный метод оказался не пригоден для контроля асферических поверхностей, в связи с чем предлагается окончательный контроль изготовленных деталей проводить на интерферометре. Вопрос о чувствительности данного метода для реальных исследований подробно рассмотрен в работах [6,8].
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что использование халькогенидных материалов в современной оптической промышленности является весьма перспективным. Высокое значение показателя преломления, высокая относительная плотность пленок, возможность использования в видимой и инфракрасной областях делают их незаменимыми для решения целого ряда прикладных задач. В силу того, что кристаллическое и аморфное состояние халькогенидов кардинально отличается электрическим сопротивлением, применение для нового типа энергонезависимой памяти открывает более широкие перспективы их использования в науке и технике. Еще одним из возможных применений халькогенидных слоев является их использование для оптической коммутации.
Рецензенты:
Носков Михаил Федорович, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», г. Новосибирск.
Воронин Михаил Яковлевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», г. Новосибирск.