Electrical conductivity and optical properties of annealed  (As2S3)1-xAgx alloys

Editorial Board PCSS Journal; В.M. Кришеник; I.M. Войнарович; A.I. Погодін; М.Й. Філеп; В.В. Галян; M.M. Поп; В.В. Рубіш; T.Я. Бабука; О.В. Гомоннай

doi:10.15330/pcss.27.2.372-381

Автор(и)

В.M. Кришеник Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
I.M. Войнарович Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
A.I. Погодін Ужгородський національний університет, Ужгород, Україна
М.Й. Філеп Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна; Закарпатський угорський університет ім. Ференца Ракоці II, Берегово, Україна
В.В. Галян Волинський національний університет імені Лесі Українки, Луцьк, Україна
M.M. Поп Ужгородський національний університет, Ужгород, Україна
В.В. Рубіш Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
T.Я. Бабука Ужгородський національний університет, Ужгород, Україна
О.В. Гомоннай Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.372-381

Ключові слова:

аморфні халькогеніди, електропровідність на постійному і змінному струмі, край оптичного поглинання, показник заломлення

Анотація

У статті представлені результати вивчення фізичних властивостей синтезованих методом гартування розплаву і також термічно відпалених сплавів (As₂S₃)₁_–xAg_x (0.04 ≤ x ≤ 0.40) залежно від рівня впровадження срібла. Виміряні в діапазоні від 293 до 413 K температурні залежності питомої електропровідності досліджуваних сплавів, зняті у режимах постійного та змінного струму, показали, що домінуючим є механізм термічно активованого перестрибування носіїв за посередництва делокалізованих станів у хвостах поблизу країв забороненої зони і локалізованих станів поблизу рівня Фермі. Енергія термічної активації іонного типу провідності сплавів, яку оцінювали на основі закону Арреніуса, зростала зі збільшенням вмісту срібла. Для об’ємних взірців (As₂S₃)₁_–xAg_x з x = 0.30 і 0.40 дослідження електропровідності на змінному струмі виявили присутність двох складових у механізмі переносу зарядів, зумовлених особливостями їх неоднорідної структури. Досліджено, як збільшення вмісту Ag у сплавах (As₂S₃)₁_–xAg_x впливає на край оптичного поглинання, ширину забороненої зони і дисперсію показника заломлення у видимому і ближньому інфрачервоному діапазонах. У термічно відпалених сплавах з високим вмістом Ag оптична ширина забороненої зони зменшується, а показник заломлення зростає.

Посилання

K. Tanaka, K. Shimakawa. Amorphous Chalcogenide Semiconductors and Related Materials (Springer, 2021); https://doi.org/10.1007/978-3-030-69598-9.

B.J. Eggleton, B. Luther-Davies, K. Richardson, Chalcogenide photonics. Nat. Photonics, 5, 141 (2011); https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.309.

V.M. Kryshenik, Yu.M. Azhniuk, V.S. Kovtunenko, All-optical patterning in azobenzene polymers and amorphous chalcogenides, J. Non-Cryst. Solids, 512, 112 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.02.019.

L. Li, H. Lin, S. Qiao, Y. Zou, S. Danto, K. Richardson, J. D. Musgraves, N. Lu, J. Hu, Integrated flexible chalcogenide glass photonic devices, Nat. Photonics, 8, 643 (2014); https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.138.

M. Wuttig, H. Bhaskaran, T. Taubner, Phase-change materials for non-volatile photonic applications, Nat. Photonics, 11(8), 465 (2017); https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.126.

S.G. Sarwat, T. Moraitis, C.D. Wright, H. Bhaskaran, Chalcogenide optomemristors for multi-factor neuromorphic computation, Nat. Commun., 13(1), 2247 (2022); https://doi.org/10.1038/s41467-022-29870-9.

T. Wagner, B. Zhang, M. Fraenkl, S. Valkova, R. Vala, T. Hrbek, Metal-doped chalcogenides. In: The world scientific reference of amorphous materials: Structure, Properties, Modeling and Main Applications, Structure, Properties, Modeling and Applications of Amorphous Chalcogenides, A.V. Kolobov, K. Shimakawa (Eds.) (World Scientific 2021), 1, 593 (2021); https://doi.org/10.1142/9789811215575_0018.

D.M. Kavya, A.K. Sonwane, Y.N. Sudhakar, S.D. George, Y. Raviprakash, Unveiling the role of silver-promoted phase evolution in antimony sulfide thin films for photoelectrochemical activity, Mater. Adv., 6, 6528 (2025); https://doi.org/10.1039/D5MA00616C.

S.Y. Tee, D. Ponsford, C.L. Lay, X. Wang, X. Wang, D.C. J. Neo, T. Wu, Th Warintorn, J. C. C. Yeo, G. Guan, T.-C. Lee, M.Y. Han, Thermoelectric silver-based chalcogenides, Adv. Sci., 9(36), 2204624 (2022); https://doi.org/10.1002/advs.202204624.

A. H. Elfarash, B. Gholipour, Reconfigurable nanoionic and photoionic material and device platforms, Adv. Phys., X 9(1), 2338285 (2024); https://doi.org/10.1080/23746149.2024.2338285.

A. Pradel, M. Ribes, Ionic conductivity of chalcogenide glasses, In: J.-L. Adam, X. Zhang (Eds.), Chalcogenide Glasses, (Woodhead Publishing 2014) 169 (2014); https://doi.org/10.1533/9780857093561.1.169.

V. Balan, A. Piarristeguy, M. Ramonda, A. Pradel, M. Ribes, Phase separation and ionic conductivity: an electric force microscopy investigation of silver chalcogenide glasses, J. Optoelectron. Adv. Mater., 8, 2112 (2006).

C. Holbrook, P. Chen, D.I. Novita, P. Boolchand, Origin of conductivity threshold in the solid electrolyte glass system: (Ag2S)x(As2S3)1-x, IEEE Trans. Nanotechnol. 6(5), 530 (2007); https://doi.org/10.1109/TNANO.2007.905540.

R. Zaiter, M. Kassem, D. Fontanari, M. Bokova, F. Cousin, T. Usuki, E. Bychkov, Chemically-invariant percolation in silver thioarsenate glasses and two ion-transport regimes over 5 orders of magnitude in Ag content, J. Non-Cryst. Solids, 84, 121513 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121513.

S. Stehlik, J. Kolar, M. Bartos, M. Vlcek, M. Frumar, V. Zima, T. Wagner, Conductivity in Ag–As–S (Se, Te) chalcogenide glasses, Solid State Ion., 181(37-38), 1625 (2010); https://doi.org/10.1016/j.ssi.2010.09.016.

F. Kyriazis, A. Chrissanthopoulos, V. Dracopoulos, M. Krbal, T. Wagner, M. Frumar, S.N. Yannopoulos, Effect of silver doping on the structure and phase separation of sulfur-rich As–S glasses: Raman and SEM studies, J. Non-Cryst. Solids, 355(37-42), 2010 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.04.070.

M. Ohta, M. Tsutsumi, F. Izumi, S. Ueno. Phase separation and structural change accompanying the introduction of silver to arsenic trisulphide glass, J. Mater. Sci., 17(8), 2431 (1982); https://doi.org/10.1007/BF00543755.

M. Ohto, M. Itoh, K. Tanaka, Optical and electrical properties of Ag–As–S glasses, J. Appl. Phys., 77(3), 1034 (1995); https://doi.org/10.1063/1.359581.

Y. Azhniuk, A. Pogodin, V. Izai, M. Filep, V. Lopushansky, V. Yukhymchuk, A.V. Gomonnai, Phase separation and photoinduced migration of silver in Agx(As2S3)1−x glasses, Mater. Res. Express, 12(9), 095201 (2025); https://doi.org/10.1088/2053-1591/ae0782.

V.M. Kryshenik, A.I. Pogodin, M.J. Filep, I.M. Voynarovych, M.M. Pop, V.V. Rubish, A.V. Gomonnai, Optical properties of As2S3:Ag glasses, Phys.Chem. Sol. State, 25(4), 863 (2024); https://doi.org/10.15330/pcss.25.4.863-870.

I. Kaban, P. Jóvári, T.Wágner et al., Atomic structure of As2S3–Ag chalcogenide glasses, J. Phys. Condens. Matter., 21(39), 395801 (2011); https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395801.

M.E. Orazem, B. Tribollet, Electrochemical impedance spectroscopy, New Jersey, 1(906), 383 (2008); https://doi.org/10.1002/9780470381588.

E. Hellner, H. Burzlaff, Die Struktur des Smithits AgAsS2, Naturwissenschaften, 51, 35 (1964); https://doi.org/10.1007/BF00622577.

T.Matsumoto, W.Nowacki, The crystal structure of trechmannite, AgAsS2, Zeitschrift für Kristallographie, 129, 163 (1969); https://doi.org/10.1524/zkri.1969.129.1-4.163.

S. Allen, Phase transitions in proustite I. Structural studies, Phase Transitions, 6, 1–24 (1985); https://doi.org/10.1080/01411598508219887.

A.Ga, A. Pawłowski, A. Pietraszko, Silver X-ray transfer in proustite Ag3AsS3 at high temperatures: Conductivity and single-crystal studies, J. Sol. State Chem., 182(3), 451 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jssc.2008.11.005.

A. J. Frueh, The crystallography of silver sulfide, Ag2S, Zeitschrift für Kristallographie-Crystalline Materials, 110(1-6), 136 (1958); https://doi.org/10.1524/zkri.1958.110.16.136.

T. Kawaguchi, A structural study of Ag-rich Ag–As–S glasses, Jpn. J. Appl. Phys., 37(1R), 29 (1998); https://doi.org/10.1143/JJAP.37.2.

A. Stronski, L. Revutska, A. Meshalkin, O. Paiuk, E. Achimova, A. Korchovyi, K. Shportko, O. Gudymenko, A. Prisakar, A. Gubanova, G. Triduh, Structural properties of Ag–As–S chalcogenide glasses in phase separation region and their application in holographic grating recording, Opt. Mater., 94, 393 (2019); https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.06.016.

N.A. Hegab, M.A. Afifi, H.E. Atyia, A.S. Farid, Ac conductivity and dielectric properties of amorphous Se80Te20-xGex chalcogenide glass film compositions, J. Alloys Compd, 477(1-2), 925 (2009);https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.11.129.

M. Ganaie, M. Zulfequar, Study of density of localized states in Cd4Se96−xSx (x= 0, 4, 8, 12) chalcogenide semiconductor, J. Phys. Chem. Solids, 85, 51 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2015.04.013.

M. A. Alvi, Z. H. Khan, Synthesis and characterization of nanoparticle thin films of a-(PbSe)100−xCdx lead chalcogenides, Nanoscale Res. Lett.,8(1), 148 (2013); https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-148.

N.F.Mott, E.A.Davis, Electronic Processes in Non-CrystallineMaterials, 2nd edn. (Oxford, Clarendon, 1979).

S.R .Lukić, S.J. Skuban, F. Skubanet al., DC and AC conductivities of (As2S3)100−x(AsSe0.5Te0.5I)x chalcogenide glasses, Physica B: Condens. Matter., 403(17), 2578 (2008);https://doi.org/10.1016/j.physb.2008.01.038.

M. Krbal, T.Wagner, T. Srba, J. Schwarz, J. Orava, T. Kohoutek, V. Zima, L. Benes, S. O. Kasap, M. Frumar, Properties and structure of Agx(As0.33S0.67)100−x bulk glasses, J. Non-Cryst. Solids, 353(13-15), 1232 (2007); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2006.11.024.

K.S. Andrikopoulos, J. Arvanitidis, V. Dracopoulos, D. Christofilos, T. Wagner, S.N. Yannopoulos, Nanoindentation and Raman studies of phase-separated Ag–As–S glasses, Appl. Phys. Lett., 99, 171911 (2011); https://doi.org/10.1063/1.3651494.

D.Deepika, H.Singh, K.S.Rathore, N.S.Saxena. Study of the electrical and optical properties of Ge27Se58Pb15 chalcogenide glass, J. Asian Ceram. Soc., 6(1) 30 (2018); https://doi.org/10.1080/21870764.2018.1439612.

S.R. Elliott, A theory of a.c. conduction in chalcogenide glasses, Philos. Mag., 36 1291 (1977); https://doi.org/10.1080/14786437708238517.

A.S. Hassanien, A.A. Akl, Electrical transport properties and Mott's parameters of chalcogenide cadmium sulphoselenide bulk glasses, J. Non-Cryst. Solids, 432, 471 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2015.11.007.

E.D. Zanotto, Effect of liquid phase separation on crystal nucleation in glass-formers. Case closed, Ceram. Int., 46(16), 24779 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.305.

V.Zima, T.Wagner, M.Vlček et al., Electrical conductivity of Agx(As40Se60)100−x bulk glasses, J. Non-Cryst. Solids, 326, 159 (2003); https://doi.org/10.1016/S0022-3093(03)00398-3.

Y. Miyamoto, M. Itoh, K. Tanaka, Mobility of Ag ions in Ag–As–S glasses, Solid State Commun., 92(11), 895 (1994);https://doi.org/10.1016/0038-1098(94)90923-7.

J. Tauc, A. Menth, States in the gap, J. Non-Cryst. Solids, 8, 569 (1972); https://doi.org/10.1016/0022-3093(72)90194-9.