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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2881 (2023) Citer cet article

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Les matériaux à changement de phase, démontrant une commutation rapide entre deux états distincts avec un fort contraste de propriétés électriques, optiques ou magnétiques, sont essentiels pour les dispositifs photoniques et électroniques modernes. À ce jour, cet effet est observé dans les composés chalcogénures à base de Se, Te ou les deux, et plus récemment dans la composition stoechiométrique Sb2S3. Pourtant, pour obtenir la meilleure intégrabilité dans la photonique et l'électronique modernes, le milieu à changement de phase mixte S/Se/Te est nécessaire, ce qui permettrait une large plage de réglage pour des propriétés physiques aussi importantes que la stabilité de la phase vitreuse, le rayonnement et la photosensibilité, l'espace optique. , conductivité électrique et thermique, effets optiques non linéaires, ainsi que possibilité de modification structurelle à l'échelle nanométrique. Dans ce travail, une commutation de résistivité élevée à faible induite thermiquement en dessous de 200 ° C est démontrée dans des équichalcogénures riches en Sb (contenant S, Se et Te dans des proportions égales). Le mécanisme à l'échelle nanométrique est associé à l'échange entre la coordination tétraédrique et octaédrique des atomes de Ge et Sb, à la substitution de Te dans l'environnement Ge le plus proche par S ou Se et à la formation de liaisons Sb – Ge / Sb lors d'un recuit ultérieur. Le matériau peut être intégré dans des plates-formes multifonctionnelles à base de chalcogénure, des systèmes informatiques neuromorphiques, des dispositifs photoniques et des capteurs.

Les matériaux à changement de phase chalcogénure (PCM) sont connus pour leur comportement unique lors de la commutation entre les états amorphe et cristallin1,2,3. Les changements prononcés qui l'accompagnent dans les propriétés de transport optiques et électroniques se produisant à l'échelle de la nanoseconde ont conduit à la base de nombreuses applications des PCM dans les dispositifs de stockage de données, la méta-optique reconfigurable, les commutateurs optiques, les émetteurs et absorbeurs accordables, la photonique non volatile, même dans l'informatique photonique neuromorphique1, 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Les transitions rapides et réversibles entre des états hautement résistifs et conducteurs (généralement des changements de résistivité de plusieurs ordres de grandeur) se produisant à des températures modérément élevées sont particulièrement intrigantes pour les dispositifs de mémoire de nouvelle génération1,2,13. À ce jour, la recherche s'est principalement concentrée sur les MCP issus de compositions ternaires Ge – Sb – Te (GST) avec différentes concentrations d'éléments constitutifs, y compris les composés limites Ge – Te (tels que GeTe) et Sb – Te (eutectiques Sb69Te31, Sb40Te60 ou similaires)1 ,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Récemment, l'introduction de Se dans cette matrice a conduit à la découverte de la famille de PCM Ge – Sb – Se – Te (GSST), où un effet mémoire à changement de phase satisfaisant dans les propriétés électriques et optiques a été combiné avec l'avantage d'une formation de verre considérablement améliorée. capacité et transparence optique dans la plage de longueurs d'onde de 1,0 à 18,5 μm4. En principe, ce résultat suit le comportement attendu lorsque Te est remplacé par Se dans des systèmes de chalcogénures multinaires . De plus, on peut remarquer, grâce à l'analyse des applications et des propriétés physiques de divers chalcogénures, que chaque type de chalcogène (S, Se ou Te) apporte sa propre fonctionnalité distincte au composé17,18,19,20. Ainsi, les principaux facteurs déterminants pour l’ajout de Se dans la composition sont la capacité améliorée de formation de verre et une transparence optique généralement plus élevée17,18,19 ; Te est connu pour favoriser une altération de la valence et, par conséquent, augmente la variété des motifs structurels possibles et de l'affinité de cristallisation 17,18,19,20,21 ; S est généralement utilisé pour améliorer la sensibilité aux facteurs externes ou améliorer les effets optiques non linéaires22,23,24. Suivant cette tendance, nous pouvons affirmer que l’inclusion du soufre dans la composition du PCM avec Se et Te pourrait ajouter de nouvelles fonctionnalités non explorées jusqu’à présent dans cette classe de matériaux. Une telle supposition est basée sur une renaissance récente des sulfures et séléniures contenant de l'antimoine et du germanium, qui sont proposés comme support de perspective pour des méta-pixels dynamiques commutables, à haute saturation, à haut rendement et à haute résolution pour des méta-affichages améliorés (Sb2S3 et Sb2Se3). )25, formation de chemins monocristallins sous irradiation laser (SbSI)26,27, guides d'ondes 3D (Ge23Sb7S70)28, batteries au lithium à l'état solide (Ga2S3 modifié Ge33S67)29 et photonique verre sur graphène30. Il a récemment été prouvé que les composés Sb2S3 et Sb2Se3 possédaient également un effet mémoire à changement de phase . Tous ces progrès deviennent possibles grâce aux propriétés physiques uniques des sulfures, telles qu'un espace optique relativement large, un indice de réfraction élevé, de faibles pertes optiques et une sensibilité élevée aux facteurs externes. Les verres de chalcogénure à base de sulfure possèdent également une solubilité satisfaisante de divers ions de terres rares, ce qui les rend adaptés aux applications d'amplificateurs à fibre optique et de dispositifs de conversion d'énergie17,21,33,34,35.