Characterization of (As2S3)1-x(Bi2S3)x glasses by DC conductivity

Editorial Board PCSS Journal; І.М. Войнарович; С.М. Гасинець; В.В. Галян; С.І. Павлей; В.В. Лопушанський; В.В. Рубіш; О.О. Гомоннай

doi:10.15330/pcss.26.3.607-612

Автор(и)

І.М. Войнарович Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
С.М. Гасинець Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
В.В. Галян Волинський національний університет імені Лесі Українки, м. Луцьк, Україна
С.І. Павлей Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
В.В. Лопушанський Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
В.В. Рубіш Інститут електронної фізики НАНУ, м. Ужгород, Україна
О.О. Гомоннай Ужгородський національний університет, м. Ужгород, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.3.607-612

Ключові слова:

халькогенідні склоподібні напівпровідники, провідність на постійному струмі, Bi2S3

Анотація

В даній роботі представлені результати електрофізичних досліджень на постійному струмі синтезованих та термічно відпалених склоподібних композитів (As₂S₃)_1–x(Bi₂S₃)_x (0,08 ≤ x ≤ 0,14). Рентгенівська дифракція показує, що отримані стекла (As₂S₃)_1–x (Bi₂S₃)_x були аморфними, і після термічного відпалу цих зразків відбувається зародження та ріст кристалітів Bi₂S₃ в аморфній матриці. Збільшення концентрації кристалічних включень сульфіду вісмуту приводить до збільшення питомої провідності 10-10³См/м та зменшення енергії активації електропровідності з 1,2 еВ для As₂S₃ до 0,95 еВ для (As₂S₃)_1‑x(Bi₂S₃)_x з x = 0,14. Перекристалізація сплавів, що містять вісмут, веде до різкого збільшення питомої провідності та зменшення енергії активації, що можна пояснити в рамках моделі мікронеоднорідної провідності або на основі перколяційного механізму.

Посилання

K. Tanaka, K. Shimakawa, Amorphous chalcogenide semiconductors and related materials (Springer, 2021); https://doi.org/10.1007/978-3-030-69598-9.

A. Zakery, S. R. Elliott, Optical properties and applications of chalcogenide glasses: a review, J. Non-Cryst. Solids, 330, 1 (2003); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2003.08.064.

K. Tanaka, A.Saitoh, Pulsed light effects in amorphous As2S3, J. Mater. Sci.: Mater. in Electron., 33, 22029 (2022); https://doi.org/10.1007/s10854-022-08989-x.

B. Luther-Davies, Integrated optics: flexible chalcogenide photonics Nature Photonics, 8, 591 (2014); https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.169.

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 (8), 643 (2014); https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.138.

L. Wang, J. Zeng, L. Zhu, D. Yang, Q. Zhang, P. Zhang, X. Wang, S. Dai, All-optical switching in long-period fiber grating with highly nonlinear chalcogenide fibers, Appl. Opt. 57, 10044 (2018); https://doi.org/10.1364/AO.57.010044.

M. Šiljegovic, S. R. Lukić-Petrović, D. D. Štrbac, N. Celić, I. R.Videnović, Dependence of chalcogenide glassy Bix(As2S3)100-x system optical parameters on the doping content, Acta Phys. Polon. A., 134 (2), 498 (2018); https://doi.org/10.12693/APhysPolA.134.498.

R. Naik, R. Ganesan, K. S. Sangunni, Optical properties change with the addition and diffusion of Bi to As2S3 in the Bi/As2S3 bilayer thin film, J. Alloys Comp. 554, 293 (2013); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.11.198.

T. O. Ajiboye, D. C. Onwudiwe, Bismuth sulfide based compounds: properties, synthesis and applications, Results Chem., 3, 100151 (2021); https://doi.org/10.1016/j.rechem.2021.100151.

I. Voynarovych, V. Pinzenik, I. Makauz, M. Shiplyak, S. Kokenyesi, L. Daroczi Nanocrystallites in Bi–As–S system, J. Non-Cryst. Solids, 353 (13), 1478 (2007); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2006.10.073.

S. R. Elliott, Physics of amorphous materials (Longman, London, 1990).

M. V. Šiljegović, S. R. Lukić, F. Skuban, D. M. Petrović, M. Slankamenac, Analysis of conductivity of glasses from the (As2S3)100-xBix system in direct and alternating regimes, JOAM, 11, 2049 (2009);

B. Karmakar, K. Rademann, A. Stepanov, Glass Nanocomposites: Synthesis, Properties and Applications (Elsevier, 2016).

P. Phogat, Shreya, R. Jha, S. Singh. Chalcogenide Nanocomposites for Energy Materials, Engineering and Technology Journal, 9, 4580 (2024); https://doi.org/10.47191/etj/v9i07.29.

V. M. Kryshenik, S. M. Hasynets, A. M. Solomon, V. Y. Loya, V. V. Lopushansky, V. M. Rubish, A. V. Gomonnai, Temperature-induced phase transformation in (As1 xBix)2S3 glasses. Low Temp. Phys., 51 (1), 88 (2025); https://doi.org/10.1063/10.0034651.

Y. Azhniuk, V. Lopushansky, S. Hasynets, V. Kryshenik, A. V. Gomonnai, D. R. T. Zahn, Photoinduced transformations in (As1–xBix)2S3 glass observed by Raman spectroscopy, J. Raman Spectrosc., 55 (5), 637 (2024); https://doi.org/10.1002/jrs.6658.

M. V. Šiljegović, J. Petrović, D. Sekulić, F. Skuban, S. R. Lukić-Petrović, Impedance response and I–V characteristics of Bi6(As2S3)94 and Bi7(As2S3)93 at elevated temperature, J. Mater. Sci.: Mater. in Electron., 31 (17), 14730 (2020); https://doi.org/10.1007/s10854-020-04036-9.

Y .Xu, J. Qi, C. Lin, P. Zhang, S. Dai, Nanocrystal-enhanced near-IR emission in the bismuth-doped chalcogenide glasses, Chin. Opt. Lett., 11 (4), 041601 (2013); https://opg.optica.org/col/abstract.cfm?URI=col-11-4-041601.

A. Kyono, M. Kimata, Structural variations induced by difference of the inert pair effect in the stibnite-bismuthinite solid solution series (Sb,Bi)2S3, American Mineralogist, 89, 932 (2004); https://doi.org/10.2138/am-2004-0702.

R. Naik, P. P. Sahoo, C. Sripan, R. Ganesan, Laser induced Bi diffusion in As40S60 thin films and the optical properties change probed by FTIR and XPS, Opt. Mater., 62, 211 (2016); https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.10.004.

M. Behera, R. Naik, C. Sripan, R. Ganesan, N. C. Mishra, Influence of Bi content on linear and nonlinear optical properties of As40Se60-xBix chalcogenide thin films, Current Applied Physics, 19 (8), 884 (2019); https://doi.org/10.1016/j.cap.2019.05.007.

E. A. Davis, N. F. Mott, Conduction in non-crystalline systems V. Conductivity, optical absorption and photoconductivity in amorphous semiconductors, Philos. Mag., 22 903 (1970); https://doi.org/10.1080/14786437008221061.

S. R. Elliott, A. T. Steel, Mechanism for doping in Bi chalcogenide glasses, Phys. Rev. Lett. 57 (11), 1316 (1986); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.1316.

K. L. Bhatia, Structural changes induced by Bi doping in n-type amorphous (GeSe3.5)100 xBix, J. Non-Cryst. Solids, 54 (1), 173 (1983); https://doi.org/10.1016/0022-3093(83)90091-1.

R. Golovchak, O. Shpotyuk, A. Kovalskiy, A. C. Miller, J. Čech, H. Jain, Coordination defects in bismuth-modified arsenic selenide glasses: High-resolution x-ray photoelectron spectroscopy measurements, Phys. Rev. B., 77 (17), 172201 (2008); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.172201.

V. V. Kabanov, K. Zagar, D. Mihailovic. Electrical conductivity of inhomogeneous two component media in two dimensions, J. Exp. Theor. Phys., 100, 715 (2005); https://doi.org/10.1134/1.1926432L.

R. Landauer, Electrical conductivity in inhomogeneous media, AIP Conf. Proc.; 40 (1), 2 (1978); https://doi.org/10.1063/1.31150.

O. Madelung, Semiconductors Data Handbook (Berlin, Springer, 2004).