Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ В ОПТИКЕ

Абель О.Я. 1 Кузнецов М.М. 1 Соснов А.Н. 1 Соснова Н.К. 1
1 ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия»
В статье рассказывается о возможном использовании халькогенидных материалов в современной опти-ческой промышленности. 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 халь-когенидов кардинально отличается электрическим сопротивлением, применение для нового типа энер-гонезависимой памяти открывает более широкие перспективы их использования в науке и технике. Еще одним из возможных применений халькогенидных слоев является их использование для оптической коммутации. В работе показаны их основные преимущества. По результатам исследования в статье де-лается вывод о том, что использование халькогенидных материалов в современной оптической про-мышленности является весьма перспективным.
асферическая поверхность
халькогенидные материалы
1. ЗАО НПФ «Люминофор» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.luminophor.ru/catalog/khalkogenidy-catalog-24-1.html.
2. Компьютеры – память с изменением фазового состояния. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://chinapads.ru/c/s/pamyat_s_izmeneniem_fazovogo_sostoyaniya.
3. Кузнецов М. М. Методы геометрического формообразования асферических поверхно-стей.[Текст] / М. М. Кузнецов, А. Н. Соснов, Н. К. Соснова, Л. А. Канушина // Сб. матер. Между¬нар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь 2011», г. Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2011. – Т. 5, ч.1. – С 116-119.
4. Кузнецов М. М. Контроль оптических деталей методом псевдоцветового аналогового ко-дирования [Текст] / М. М. Кузнецов // Сб. матер. VI Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 19–29 апреля 2010 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2010. – Т. 5, ч. 1. – С. 190–192.
5. Кузнецов М. М. Повышение контраста и информативности изображений на основе спек-тральной и пространственно-угловой фильтрации излучения [Текст] / М. М. Кузнецов, О. К. Ушаков, В. М. Тымкул, М. Ф. Носков // Вестник СГГА. – 2010. – № 2(13). – С. 96–100.
6. Кузнецов М. М. Метод выделения экстремумов полос путем нелинейной фоторегистра-ции интерференционной картины [Текст] / М. М. Кузнецов, М. Ф. Носков // Сб. матер. V Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2009», 21–28 апреля 2009 г., Новосибирск. – Ново-сибирск: СГГА, 2009. – Т. 5, ч. 2. – С. 185–187.
7. Наливайко В. И. Использование халькогенидных материалов для решения задач современных оптических технологий. [Текст] / В. И. Наливайко, А. Н. Покровский, М. А. Пономарев, О. Я. Абель, А. Н. Соснов // Сб. матер. Междунар. науч. конгресс Интерэкспо Гео-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгресс 10–20 апреля 2012. – Новосибирск: Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника и нанотехнологии»: Сб. матер.: в 2 т. Т. 1. Новосибирск: СГГА, 2012. – С. 121-125.
8. Носков М. Ф. Чувствительность оптических интерферометров [Текст] / М. Ф. Носков, М. М. Кузнецов // Естественные и технические науки. – 2009. – № 2 (40). – С. 302–305.
9. Ученые России. Кузнецов М. М. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.famous-scientists.ru/13155.
10. Халькогениды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Халькогениды.
Халькогениды (от греч.χαλκος - руда и греч.γενος - рождающий) - бинарные химические соединения элементов шестой группы периодической системы (халькогенов, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний) с металлами.

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.


Библиографическая ссылка

Абель О.Я., Кузнецов М.М., Соснов А.Н., Соснова Н.К. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ В ОПТИКЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=8102 (дата обращения: 20.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074