تطور الخصائص الفيزيائية في الزجاج الشبكي لنظام Ge–Cd–Se: مقاربة نظرية

الملخص

في المجال التقني، يُعد نظام Ge-Se-Cd نموذجاً مثالياً لأنظمة الكالكوجينيد القادرة على تكوين زجاج بمكونات متنوعة. وقد أُجري تحليل نظري لتحديد تأثير إضافة الجرمانيوم (Ge) على الخصائص الفيزيائية لأنظمة الزجاج GexCd10Se90-x (حيث x = 5، 10، 15، 20، و25% ذرياً). لوحظت زيادة في قيم متوسط ​​عدد التناسق، وعدد القيود، ومتوسط ​​حرارة التذرير (atomization)، وطاقة التماسك، والكثافة، وكثافة الرصّ (packing density) مع زيادة محتوى الجرمانيوم، بينما انخفضت قيم إلكترونات الأزواج الوحيدة (lone pair electrons) مع تحرك النظام نحو المنطقة الصلبة (الجامدة). أدى الانحراف عن قيم التركيب الكيميائي المتكافئ (stoichiometry) إلى توجيه النظام نحو مناطق غنية بالكالكوجين، باستثناء التركيب Ge25Cd10Se65 الذي أظهر فقراً في الكالكوجين. كما وُجدت علاقة خطية بين متوسط ​​طاقة الرابطة الكلي ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي. وتؤدي زيادة محتوى الجرمانيوم إلى زيادة الروابط القوية غير المتماثلة القطبية (heteropolar) من نوع Ge-Se على حساب الروابط الضعيفة المتماثلة القطبية (homopolar) من نوع Se-Se، مما ينتج عنه زيادة في ترابط الشبكة أو صلابة النظام. وقد طُبِّق نموذج شبكة الترتيب الكيميائي (CONM) لحساب توزيع الروابط الكيميائية وطاقة التماسك للنظام، كما حُسبت فجوة النطاق (band gap) النظرية وفقاً لعلاقة "نيفاتي" (Neffati). وتشير الزيادة في فجوة الطاقة المصاحبة لزيادة تركيز الجرمانيوم -في جميع الأنظمة باستثناء Ge25Cd10Se65- إلى أن البنية الطبقية ثنائية الأبعاد (2D)، الناشئة عن تفرع سلاسل السيلينيوم (Se)، تكتمل تماماً عند هذا التركيب (حيث متوسط ​​عدد التناسق <r>=2.6)؛ وبعد هذه النقطة، تتشابك البنى الطبقية لتشكل شبكة صلبة ثلاثية الأبعاد (3D). ويمكن لمثل هذه التغييرات أن توسّع نطاق التكافؤ الخاص بالأزواج الوحيدة، مما يقلل من فجوة النطاق. ونظراً لحساسية الخصائص الفيزيائية للتغيرات في التركيب، يُعد هذا النظام مناسباً لتطبيقات التسجيل البصري القائم على تغيير الطور (phase change optical recording).