DE202022104505U1 - A system for synthesizing Se50-XTe30Sn20Sbx chalcogenide glass - Google Patents

A system for synthesizing Se50-XTe30Sn20Sbx chalcogenide glass Download PDF

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Abstract

System (100) zur Synthese von Se50-xTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglas, wobei das System (100) Folgendes umfasst:
eine Mischkammer (102) zur Zugabe einer stöchiometrischen Menge einer Vielzahl von Verbindungen wie Selen (Se), Tellur (Te), Antimon (Sb) und Zinn (Sn);
eine Mühle (104), die mit einem Achatmörser (106) verbunden ist, um die Vielzahl von Verbindungen bei Raumtemperatur nach dem Mischen zu mahlen, um eine homogenisierte Mischung zu erhalten;
einen mit einer Vakuum-Quarz-Ampulle (110) verbundenen Ofen (108) zum Erhitzen der homogenisierten Mischung auf eine definierte Temperatur in mehreren Stufen, wobei in der ersten Stufe die homogenisierte Mischung auf eine erste Temperatur erhitzt wird, die niedriger als die definierte Temperatur ist, wobei in der zweiten Stufe die homogenisierte Mischung auf eine zweite Temperatur erhitzt wird, die höher als die erste Temperatur ist, um die definierte Temperatur zu erreichen; und
ein mit dem Ofen (108) verbundenes Rotationsmodul (112) zum Drehen der Ampulle für eine gleichmäßige Erwärmung, um das homogene Chalkogenidglas zu erhalten.

Figure DE202022104505U1_0000
A system (100) for synthesizing Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass, the system (100) comprising:
a mixing chamber (102) for adding a stoichiometric amount of a plurality of compounds such as selenium (Se), tellurium (Te), antimony (Sb) and tin (Sn);
a mill (104) connected to an agate mortar (106) for grinding the plurality of compounds at room temperature after mixing to obtain a homogenized mixture;
a furnace (108) connected to a vacuum quartz ampoule (110) for heating the homogenized mixture to a defined temperature in multiple stages, the first stage heating the homogenized mixture to a first temperature lower than the defined temperature wherein in the second stage the homogenized mixture is heated to a second temperature higher than the first temperature to reach the defined temperature; and
a rotation module (112) connected to the furnace (108) for rotating the ampoule for uniform heating to obtain the homogeneous chalcogenide glass.
Figure DE202022104505U1_0000

Description

BEREICH DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gebiet der Synthese von glasartigen Systemen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System zur Synthese von Chalkogenidglas.The present invention relates to the field of synthesis of glassy systems. In particular, the present invention relates to a system for synthesizing chalcogenide glass.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Das fesselndste Material auf diesem Gebiet sind die quaternären Chalkogenid-Halbleiter-Quantenpunkte der dritten Generation, deren physikalische, strukturelle, optische und elektronische Eigenschaften sich durch die Veränderung ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung beeinflussen lassen. In Chalkogenid-Legierungen sind ein oder mehrere Chalkogen-Elemente wie Se, S, Te kovalent mit Elementen wie Sn, Sb, Bi, Ge usw. verbunden, die aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wie niedriger Phononenenergie, exzellenter Durchlässigkeit, höherem linearen und nichtlinearen Brechungsindex interessante Legierungen ergeben, die sich für den Einsatz in photonischen Geräten, IR-Sensoren, Wellenleitern, optischen Schaltern usw. eignen.The most intriguing material in this field are the third-generation quaternary chalcogenide semiconductor quantum dots, whose physical, structural, optical and electronic properties can be manipulated by changing their stoichiometric composition. In chalcogenide alloys, one or more chalcogen elements like Se, S, Te are covalently linked with elements like Sn, Sb, Bi, Ge etc., which are interesting because of their special properties like low phonon energy, excellent transmittance, higher linear and nonlinear refractive index Alloys result that are suitable for use in photonic devices, IR sensors, waveguides, optical switches, etc.

Konventionell werden die mit Selen dotierten Chalkogenidgläser weltweit betrachtet, obwohl reines Se kein geeigneter Glasbildner ist und es aufgrund seiner geringen thermischen Stabilität, seiner geringen Lichtempfindlichkeit und seiner kurzen Lebensdauer an praktischen Anwendungen mangelt und weniger machbar ist.Conventionally, the selenium-doped chalcogenide glasses are considered worldwide, although pure Se is not a suitable glass former and due to its low thermal stability, low photosensitivity and short lifetime, it lacks practical applications and is less feasible.

Um die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden, wird Se ein Zusatzelement wie Te beigemischt, das eine höhere Lichtempfindlichkeit, eine bessere thermische Stabilität und kürzere Alterungseffekte mit sich bringt. Wenn Te zu Se hinzugefügt wird, spaltet Te die Se8-Ringstruktur auf und wirkt als Bindungsmodifikator, der sich durch Vernetzung an die Se-Kettenstruktur anlagert; diese Veränderung ist für die Erhöhung der Glasübergangstemperatur verantwortlich. Dieses Material wird häufig für xerografische und elektrografische Anwendungen eingesetzt, hat jedoch einige Nachteile, wenn es für Phasenwechsel-Speichergeräte verwendet wird.In order to overcome the above problems, an additional element such as Te is added to Se, which brings higher photosensitivity, better thermal stability and shorter aging effects. When Te is added to Se, Te cleaves the Se8 ring structure and acts as a bond modifier, attaching to the Se chain structure through crosslinking; this change is responsible for increasing the glass transition temperature. This material is commonly used for xerographic and electrographic applications, but has some disadvantages when used in phase change memory devices.

Diese Einschränkung ist auf die niedrige Kristallisationstemperatur zurückzuführen, die durch den Einbau eines metallischen Dotierungselements wie Sn in die Se-Te-Matrix, das die thermische Stabilität erhöht, überwunden wird. Durch den Einbau eines metallischen Dotierungselements wie Sn in die Se-Te-Wirtsmatrix verschiebt sich das Fermi-Niveau aufgrund der strukturellen Veränderung in Richtung eines der Bänder, wodurch sich die elektrischen und optischen Eigenschaften des glasartigen Netzwerks verändern.This limitation is due to the low crystallization temperature, which is overcome by incorporating a metallic dopant such as Sn into the Se-Te matrix, which increases thermal stability. Incorporation of a metallic dopant such as Sn into the Se-Te host matrix shifts the Fermi level towards one of the bands due to the structural change, altering the electrical and optical properties of the glassy network.

Durch den Einbau von Metallelementen eröffnen sich viele verschiedene Anwendungsbereiche, und die Se-Te-Legierungen werden multifunktional. Die unterprivilegierten thermo-elektrischen Eigenschaften von Se-Te-Legierungen werden später durch den Einbau eines zusätzlichen metallischen Elements Sb verbessert, das den Bereich der Glasbildung erweitert und strukturelle Unordnung einführt, die das Potenzial für die Anwendung in Geräten erhöht.The incorporation of metal elements opens up many different fields of application, and the Se-Te alloys become multifunctional. The underprivileged thermo-electric properties of Se-Te alloys are later enhanced by the incorporation of an additional metallic element Sb, which extends the range of glass formation and introduces structural disorder that increases the potential for device applications.

US7330634B2 offenbart Chalkogenid-Glas für Extrusion und Spritzguss mit niedriger Viskosität mit der allgemeinen Formel YZ, wobei Y Ge, As, Sb oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Stoffe ist; Z ist Se, Te oder eine Mischung aus Se+Te; und Y und Z sind in Mengen (in Atom-/Element-Prozent) im Bereich von Y= 15-70% und Z=30-85% vorhanden. US7330634B2 discloses low viscosity chalcogenide glass for extrusion and injection molding having the general formula YZ, where Y is Ge, As, Sb, or a mixture of two or more thereof; Z is Se, Te or a mixture of Se+Te; and Y and Z are present in amounts (in atomic/element percent) ranging from Y=15-70% and Z=30-85%.

Der oben genannte Stand der Technik offenbart Chalkogenidglas, das Se+Te und entweder Ge, As oder Sb enthält.The above prior art discloses chalcogenide glass containing Se+Te and either Ge, As or Sb.

Keiner der oben genannten Stand der Technik offenbart jedoch ein quaternäres System, das als Netzwerkmodifikator wirkt und einen hohen Wert der freien Kristallisationsenergie aufweist.However, none of the above prior arts disclose a quaternary system which acts as a network modifier and has a high crystallization free energy value.

Daher besteht die Notwendigkeit, ein quaternäres Se-Te-Sn-Sb-System zu entwickeln, in dem das Metalloid Sb als Netzwerkmodifikator fungiert und die Haltbarkeit einiger Geräte wie Batterien und Sensoren aufgrund eines höheren Werts der freien Kristallisationsenergie verbessert.Therefore, there is a need to develop a Se-Te-Sn-Sb quaternary system in which the metalloid Sb acts as a network modifier and improves the durability of some devices such as batteries and sensors due to a higher crystallization free energy value.

Der technische Fortschritt, der durch die vorliegende Erfindung offenbart wird, überwindet die Einschränkungen und Nachteile bestehender und konventioneller Systeme und Methoden.The technical advance disclosed by the present invention overcomes the limitations and disadvantages of existing and conventional systems and methods.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System zur Synthese von Se50-XTe30Sn20Sbx-Chalcogenidglas.The present invention relates generally to a system for synthesizing Se 50 -XTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zur Synthese von Se50-XTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglas zu entwickeln,
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Haltbarkeit einiger Geräte wie Batterien und Sensoren zu verbessern,
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen höheren Wert für die freie Energie der Kristallisation zu erreichen,
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Zusammensetzungsabhängigkeit verschiedener physikalischer, struktureller und optischer Parameter im Sinne der Perkolationstheorie zu untersuchen, und
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Abstimmung der Bandlücke und die Verschiebung des CB- und VB-Potenzials mit einer geringfügigen Änderung des Sb-Wertes (x) des Metallelements zu untersuchen.
The aim of the present invention is to develop a system for the synthesis of Se 50 -XTe 30 Sn 20 Sb x -chalcogenide glass,
Another object of the present invention is to improve the durability of some devices such as batteries and sensors,
Another object of the present invention is to achieve a higher value for the free energy of crystallization,
Another aim of the present invention is to study the compositional dependence of various physical, structural and optical parameters in terms of percolation theory, and
Another object of the present invention is to study the tuning of the band gap and the shift of the CB and VB potential with a slight change in the Sb value (x) of the metal element.

In einer Ausführungsform ein System zur Synthese von Se50-XTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglas, wobei das System Folgendes umfasst:

  • eine Mischkammer zur Zugabe einer stöchiometrischen Menge einer Vielzahl von Verbindungen wie Selen (Se), Tellur (Te), Antimon (Sb) und Zinn (Sn);
  • eine Mühle, die mit einem Achatmörser verbunden ist, um die Vielzahl von Verbindungen bei Raumtemperatur nach dem Mischen zu mahlen, um eine homogenisierte Mischung zu erhalten;
  • einen mit einer Vakuum-Quarz-Ampulle verbundenen Ofen zum Erhitzen der homogenisierten Mischung auf eine definierte Temperatur in mehreren Stufen, wobei in der ersten Stufe die homogenisierte Mischung auf eine erste Temperatur unterhalb der definierten Temperatur erhitzt wird, wobei in der zweiten Stufe die homogenisierte Mischung auf eine zweite Temperatur oberhalb der ersten Temperatur erhitzt wird, um die definierte Temperatur zu erreichen; und
  • ein mit dem Ofen verbundenes Drehmodul zum Drehen der Ampulle für eine gleichmäßige Erwärmung, um das homogene Chalkogenidglas zu erhalten.
In one embodiment, a system for synthesizing Se 50 -XTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass, the system comprising:
  • a mixing chamber for adding a stoichiometric amount of a variety of compounds such as selenium (Se), tellurium (Te), antimony (Sb), and tin (Sn);
  • a mill connected to an agate mortar to grind the plurality of compounds at room temperature after mixing to obtain a homogenized mixture;
  • a furnace connected to a vacuum quartz ampoule for heating the homogenized mixture to a defined temperature in several stages, in the first stage the homogenized mixture is heated to a first temperature below the defined temperature, in the second stage the homogenized mixture is heated heating to a second temperature above the first temperature to reach the defined temperature; and
  • a rotary module connected to the furnace to rotate the ampoule for uniform heating to obtain the homogeneous chalcogenide glass.

In einer Ausführungsform ist der Achatmörser mit der Mischkammer zum Mischen der stöchiometrischen Menge der mehreren Verbindungen verbunden.In one embodiment, the agate mortar is connected to the mixing chamber for mixing the stoichiometric amount of the multiple compounds.

In einer Ausführungsform homogenisiert ein Walzenmischer die gemahlene Mischung etwa 30-90 Minuten lang, um die homogenisierte Mischung zu erhalten.In one embodiment, a roller mill homogenizes the milled mixture for about 30-90 minutes to obtain the homogenized mixture.

In einer Ausführungsform ist die Vakuum-Quarz-Ampulle mit dem Walzengemisch verbunden, um das homogenisierte Gemisch zu versiegeln.In one embodiment, the vacuum quartz ampoule is connected to the roller mix to seal the homogenized mix.

In einer Ausführungsform hat die chemische Zusammensetzung des Se50-xTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglases einen Wert von x = 2, 4, 6 und 8.In one embodiment, the chemical composition of the Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass has a value of x=2, 4, 6 and 8.

In einer Ausführungsform beträgt die gewünschte Temperatur 1000°C, wobei in der ersten Stufe die erste Temperatur auf 700°C erhöht wird, wobei in der zweiten Stufe die zweite Temperatur von 700°C auf 1000°C mit einer Aufheizrate von 4° Grad/Min. erhöht wird.In one embodiment, the desired temperature is 1000°C, with the first stage increasing the first temperature to 700°C, the second stage increasing the second temperature from 700°C to 1000°C at a heating rate of 4° deg/ minutes is increased.

In einer Ausführungsform wird das homogenisierte Gemisch etwa 7-9 Stunden lang auf die gewünschte Temperatur erhitzt.In one embodiment, the homogenized mixture is heated to the desired temperature for about 7-9 hours.

In einer Ausführungsform wird die erhitzte homogenisierte Mischung mit kaltem Wasser, vorzugsweise Eiswasser, abgeschreckt, um eine Quarzampulle zu bilden.In one embodiment, the heated homogenized mixture is chilled with cold water, preferably ice water, to form a quartz ampoule.

In einer Ausführungsform wird die Quarzampulle durch Mahlen mit einer Mühle in feines Pulver von vorzugsweise Mikrometergröße zerkleinert.In one embodiment, the quartz ampoule is reduced to a fine powder, preferably micron size, by grinding with a grinder.

Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Figuren dargestellt ist, gemacht werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.In order to further clarify the advantages and features of the present invention, a more detailed description of the invention will be provided by reference to specific embodiments thereof, which are illustrated in shown in the accompanying figures. It is understood that these figures represent only typical embodiments of the invention and therefore should not be considered as limiting its scope. The invention will be described and illustrated with additional specificity and detail with the accompanying figures.

Figurenlistecharacter list

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

  • 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Synthese von Se50-XTe30Sn 20Sbx-Chalkogenidglas,
  • 2 zeigt eine grafische Darstellung der XRD-Muster aller glasartigen Chalkogenidsysteme,
  • 3a und 3b zeigen eine grafische Darstellung der Variation der Dichte und des molaren Volumens aller Proben,
  • 4a, 4b und 4c zeigen eine grafische Darstellung von (a) Molmasse, (b) Kompaktheit und (c) FVP in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt (x),
  • 5a und 5b zeigen eine grafische Darstellung der Variation von (a) Polaronradius und (b) Feldstärke in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt (x),
  • 6a und 6b zeigen eine grafische Darstellung von (αhv) 0,5 gegen (hv) und (b) die Veränderung von Eg gegen den Prozentsatz des Sb-Gehalts (x),
  • 7 zeigt eine grafische Darstellung des Trends der theoretisch und experimentell ermittelten Bandlückenenergiewerte für alle Proben,
  • 8 zeigt eine grafische Darstellung der Variation der Elektronegativität in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt (x),
  • 9 zeigt eine grafische Darstellung der CB- und VB-Positionen von Se50-xTe30Sn20Sbx Chalkogenid-Glassystemen,
  • 10 zeigt eine grafische Darstellung der Variation der Floppy-Modi und der Vernetzungsdichte in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt,
  • 11a und 11b zeigen eine grafische Darstellung der Variation des Parameters des einsamen Paarelektrons (L) und des Parameters R in Bezug auf den prozentualen Sb-Gehalt (x), und
  • 12a und 12b zeigen eine grafische Darstellung der Variation von (a) mittlerer Bindungsenergie <E> und (b) Glasübergangstemperatur. (Tg) gegen den Prozentsatz des Sb-Gehalts (x).
These and other features, aspects and advantages of the present invention will be better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying figures, in which like characters represent like parts throughout the figures, wherein:
  • 1 shows a block diagram of a system for the synthesis of Se 50 -XTe 30 Sn 20 Sb x -chalcogenide glass,
  • 2 shows a graphical representation of the XRD patterns of all glassy chalcogenide systems,
  • 3a and 3b show a graphical representation of the variation in density and molar volume of all samples,
  • 4a , 4b and 4c show a graphical representation of (a) molar mass, (b) compactness and (c) FVP as a function of percentage Sb content (x),
  • 5a and 5b show a graphical representation of the variation of (a) polaron radius and (b) field strength as a function of percentage Sb content (x),
  • 6a and 6b show a plot of (αhv) 0.5 versus (hv) and (b) the change in Eg versus percentage of Sb content (x),
  • 7 shows a graphical representation of the trend of theoretically and experimentally determined band gap energy values for all samples,
  • 8th shows a graphical representation of the variation of electronegativity as a function of percentage Sb content (x),
  • 9 shows a plot of the CB and VB positions of Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass systems,
  • 10 shows a graphical representation of the variation of floppy modes and crosslink density as a function of percentage Sb content,
  • 11a and 11b show a graphical representation of the variation of the parameter of the lone pair electron (L) and the parameter R with respect to the percentage Sb content (x), and
  • 12a and 12b show a graphical representation of the variation of (a) mean binding energy <E> and (b) glass transition temperature. (Tg) versus percentage of Sb content (x).

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.Those skilled in the art will understand that the elements in the figures are presented for simplicity and are not necessarily drawn to scale. For example, the flow charts illustrate the method of key steps to enhance understanding of aspects of the present disclosure. In addition, one or more components of the device may be represented in the figures by conventional symbols, and the figures only show the specific details relevant to understanding the embodiments of the present disclosure, not to encircle the figures with details to overload, which are easily recognizable to those skilled in the art familiar with the present description.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.For the purposes of promoting an understanding of the invention, reference will now be made to the embodiment illustrated in the figures and specific language will be used to describe the same. It should be understood, however, that no limitation on the scope of the invention is intended, and such alterations and further modifications to the illustrated system and such further applications of the principles of the invention set forth therein are contemplated as would occur to those skilled in the art invention would normally come to mind.

Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.Those skilled in the art will understand that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory of the invention and are not intended to be limiting.

Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.When this specification refers to "an aspect,""anotheraspect," or the like, it means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is present in at least one embodiment of the present invention. Therefore, the phrases "in one embodiment,""in another embodiment," and similar phrases throughout this specification may or may not all refer to the same embodiment.

Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte einschließt, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.The terms "comprises," "including," or other variations thereof are intended to cover non-exclusive inclusion, such that a method or method that includes a list of steps includes not only those steps, but may also include other steps that are not expressly stated or pertaining to any such process or method. Likewise, any device or subsystem or element or structure or component preceded by "comprises...a" does not, without further limitation, exclude the existence of other devices or other subsystem or other element or other structure or other component or additional device or additional subsystems or additional elements or additional structures or additional components.

Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which this invention pertains. The system, methods, and examples provided herein are for purposes of illustration only and are not intended to be limiting.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.Embodiments of the present invention are described in detail below with reference to the attached figures.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems (100) zur Synthese von Se50-XTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglas, wobei das System (100) Folgendes umfasst: eine Mischkammer (102), eine Mühle (104), einen Achatmörser (106), einen Ofen (108), eine Vakuum-Quarz-Ampulle (110), ein Rotationsmodul (112) und einen Rollenmischer (114). 1 Figure 12 shows a block diagram of a system (100) for synthesizing Se 50 -XTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass, the system (100) comprising: a mixing chamber (102), a mill (104), an agate mortar (106), an oven (108), a vacuum quartz ampoule (110), a rotary module (112), and a roller blender (114).

Die Mischkammer (102) zur Zugabe einer stöchiometrischen Menge einer Vielzahl von Verbindungen wie Selen (Se), Tellur (Te), Antimon (Sb) und Zinn (Sn). Die Mischkammer ist vorzugsweise ein Behälter oder ein Becherglas. Die chemische Zusammensetzung des Se50-xTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglases hat einen Wert von x = 2, 4, 6 und 8.The mixing chamber (102) for adding a stoichiometric amount of a variety of compounds such as selenium (Se), tellurium (Te), antimony (Sb) and tin (Sn). The mixing chamber is preferably a container or beaker. The chemical composition of the Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass has a value of x = 2, 4, 6 and 8.

Die Mühle (104) ist mit einem Achatmörser (106) verbunden, um die Vielzahl von Verbindungen bei Raumtemperatur nach dem Mischen zu zerkleinern, um eine homogenisierte Mischung zu erhalten. Der Achatmörser (106) ist mit der Mischkammer (102) zum Mischen der stöchiometrischen Menge der Vielzahl von Verbindungen verbunden.The grinder (104) is connected to an agate mortar (106) to crush the plurality of compounds at room temperature after mixing to obtain a homogenized mixture. The agate mortar (106) is connected to the mixing chamber (102) for mixing the stoichiometric amount of the plurality of compounds.

Dem Ofen (108) ist eine Vakuum-Quarz-Ampulle (110) zugeordnet, um das homogenisierte Gemisch in mehreren Stufen auf eine definierte Temperatur zu erhitzen, wobei in der ersten Stufe das homogenisierte Gemisch auf eine erste Temperatur erhitzt wird, die niedriger als die definierte Temperatur ist, wobei in der zweiten Stufe das homogenisierte Gemisch auf eine zweite Temperatur erhitzt wird, die höher als die erste Temperatur ist, um die definierte Temperatur zu erreichen. Die Vakuum-Quarz-Ampulle (110) ist mit dem Walzengemisch (114) verbunden, um das homogenisierte Gemisch zu versiegeln. Das homogenisierte Gemisch wird etwa 7-9 Stunden lang auf die gewünschte Temperatur erhitzt.A vacuum quartz ampoule (110) is associated with the furnace (108) to heat the homogenized mixture to a defined temperature in several stages, wherein in the first stage the homogenized mixture is heated to a first temperature lower than that defined temperature, wherein in the second stage the homogenized mixture is heated to a second temperature, which is higher than the first temperature, in order to reach the defined temperature. The vacuum quartz ampoule (110) is connected to the roller mix (114) to seal the homogenized mix. The homogenized mixture is heated to the desired temperature for about 7-9 hours.

Die gewünschte Temperatur beträgt 1000°C, wobei in der ersten Stufe die erste Temperatur auf 700°C erhöht wird, wobei in der zweiten Stufe die zweite Temperatur von 700°C auf 1000°C mit einer Aufheizrate von 4° Grad /min erhöht wird.The desired temperature is 1000°C, with the first stage increasing the first temperature to 700°C, the second stage increasing the second temperature from 700°C to 1000°C at a heating rate of 4 degrees/min .

Das Drehmodul (112) ist mit dem Ofen (108) verbunden, um die Ampulle für eine gleichmäßige Erhitzung zu drehen und so ein homogenes Chalkogenidglas zu erhalten.The rotating module (112) is connected to the furnace (108) to rotate the ampoule for uniform heating and thus obtain a homogeneous chalcogenide glass.

Der Walzenmischer (114) homogenisiert die gemahlene Mischung etwa 30-90 Minuten lang, um die homogenisierte Mischung zu erhalten.The roller mixer (114) homogenizes the milled mixture for about 30-90 minutes to obtain the homogenized mixture.

Die erhitzte homogenisierte Mischung wird mit kaltem Wasser, vorzugsweise Eiswasser, abgeschreckt, um eine Quarzampulle zu bilden. Die Quarzampulle wird durch Zerkleinern mit dem Mahlwerk (104) in feines Pulver von vorzugsweise Mikrometergröße gebrochen.The heated homogenized mixture is quenched with cold water, preferably ice water, to form a quartz ampoule. The quartz ampoule is broken into fine powder, preferably micron size, by crushing with grinder (104).

Die Röntgenbeugungsanalyse (XRD) wurde bei Raumtemperatur mit einem Röntgendiffraktometer unter Verwendung von CuKa-Strahlung von 1.5418 A° mit Abtastwinkeln 20 im Bereich von 5° bis 80° und Änderungen mit einer gleichmäßigen Abtastgeschwindigkeit von 20/min mit einer Schrittweite von 0.02° durchgeführt, um die strukturellen Merkmale der Chalkogenidsysteme zu untersuchen. Bei diesen Spezifikationen ist das Diffraktometer in der Lage, die möglichen Beugungslinien zu identifizieren.X-ray diffraction analysis (XRD) was performed at room temperature with an X-ray diffractometer using CuKa radiation of 1.5418 A ° with scan angles 20 ranging from 5 ° to 80 ° and changes at a uniform scan speed of 20/min with a step size of 0.02 ° , to study the structural features of the chalcogenide systems. With these specifications, the diffractometer is able to identify the possible diffraction lines.

Zur Durchführung des UV-Vis-Absorptionsverfahrens wird Ethylalkohol zur Absorption der angetriebenen Chalkogenid-Glasproben verwendet, um die kolloidale homogene Suspension herzustellen. Für die UV-Absorptionsmessung wird das Spektrometer im Wellenlängenbereich von 200-800 nm bei Raumtemperatur verwendet.To perform the UV-Vis absorption method, ethyl alcohol is used to absorb the driven chalcogenide glass samples to produce the colloidal homogeneous suspension. For the UV absorption measurement, the spectrometer is used in the wavelength range of 200-800 nm at room temperature.

Der theoretische Wert der Dichte (ρ) wird anhand der nachstehenden Beziehung berechnet: ρ = Σ(xi/di)-1 The theoretical value of density (ρ) is calculated using the following relationship: ρ = Σ(x i /d i ) -1

Dabei steht xi für den Gewichtsanteil, di für die Dichte des i-ten Bestandteils. Die molare Masse (M) des Systems wird nach der folgenden Gleichung berechnet:M=ΣiXiAi Here, xi stands for the weight fraction, di for the density of the i-th component. The molar mass (M) of the system is calculated using the following equation: M=Σ i X i A i

Das molare Volumen (Vm) ergibt sich aus der Kenntnis der Dichte (ρ) und der molaren Masse (M). Es ergibt sich aus der unten angegebenen Beziehung: Vm = i / ρ   i X i M i

Figure DE202022104505U1_0001
The molar volume (Vm) results from knowledge of the density (ρ) and the molar mass (M). It follows from the relationship given below: Vm = i / ρ i X i M i
Figure DE202022104505U1_0001

Dabei steht Mi für das Molekulargewicht der i-ten Komponente und xi für den Atomprozentsatz der Probe. Das berühmte Archimedis-Prinzip wird zur Messung der Dichte und des molaren Volumens der Chalkogenid-Vollprobe eingesetzt, indem die folgende Beziehung verwendet wird: ρ = ρ aceton ( W Luft / W Luft W aceton )

Figure DE202022104505U1_0002
wobei sich ρaceton auf die Dichte der nichtlösenden Flüssigkeit Aceton bezieht, WLuft das an der Luft gemessene Gewicht der Probe und Waceton auf das Gewicht der Probe in Aceton bezieht.where Mi represents the molecular weight of the i-th component and xi represents the atomic percentage of the sample. The famous Archimedis principle is used to measure the density and molar volume of the bulk chalcogenide sample by using the following relationship: ρ = ρ acetone ( W Air / W Air W acetone )
Figure DE202022104505U1_0002
where ρ acetone refers to the density of the non-solvent liquid acetone, W air refers to the weight of the sample measured in air, and W acetone refers to the weight of the sample in acetone.

Die Kompaktheit (δ) ist mit dem freien Volumen und der Flexibilität des Netzes verbunden. Sie gibt den Betrag der normierten Änderung des mittleren Atomvolumens aufgrund der gegenseitigen chemischen Wechselwirkungen der netzbildenden Elemente an. Die Kompaktheit wird unter Berücksichtigung des Atomanteils, des Atomgewichts der i-ten Konstitution und der atomaren Dichte des i-ten Bestandteils bewertet.The compactness (δ) is related to the free volume and flexibility of the mesh. It indicates the amount of the normalized change in the mean atomic volume due to the mutual chemical interactions of the network-forming elements. The compactness is evaluated considering the atomic fraction, the atomic weight of the i-th constitution and the atomic density of the i-th component.

2 zeigt eine grafische Darstellung der XRD-Muster aller glasartigen Chalkogenidsysteme. 2 shows a graphical representation of the XRD patterns of all glassy chalcogenide systems.

Das Diagramm zeigt keinen auffälligen Peak im XRD-Muster, was die die amorphe Natur der glasartigen Legierungen, wie sie auch von anderen Forschern festgestellt wurde. Der amorphe Halo-Peak bei etwa 30° ist aufgrund der Beugung der orthorhombischen Sb2Se3-Phase in allen Zusammensetzungen auffällig.The plot shows no prominent peak in the XRD pattern, reflecting the amorphous nature of the glassy alloys, as noted by other investigators. The amorphous halo peak at around 30 ° is prominent in all compositions due to diffraction of the orthorhombic Sb 2 Se 3 phase.

3a und 3b zeigen eine grafische Darstellung der Variation der Dichte und des molaren Volumens aller Proben. 3a and 3b show a graphical representation of the variation in density and molar volume of all samples.

Es ist äußerst wichtig, die Dichtewerte zu bestimmen, um die verschiedenen strukturellen und mikrostrukturellen Parameter der präparierten Proben zu untersuchen. Zur Bewertung der theoretischen Dichtewerte der verschiedenen Zusammensetzungen wurden die Dichtewerte der einzelnen Bestandteile verwendet, die in Tabelle 1 zusammen mit einigen weiteren physikalischen Parametern aufgelistet sind. Parameter Se Te Sn Sb CN 2 2 4 3 Hs (kcal/mol) 54.30 46 72.20 62.67 Elektronegativität 2.55 2.10 1.88 2.05 BE (Kcal/mole) 44.0 33 34.2 30.2 P (gcm-3) 4.81 6.24 7.31 6.69 Eg(ev) 1.95 0.335 0 0.101 It is extremely important to determine the density values in order to examine the various structural and microstructural parameters of the prepared samples. The density values of the individual components listed in Table 1 together with some other physical parameters were used to evaluate the theoretical density values of the various compositions. parameter se Te sn Sb CN 2 2 4 3 H s (kcal/mol) 54.30 46 72.20 62.67 electronegativity 2.55 2.10 1.88 2.05 BE (Kcal/mole) 44.0 33 34.2 30.2 P (gcm -3 ) 4.81 6.24 7.31 6.69 Eg(ev) 1.95 0.335 0 0.101

Die Dichte spiegelt die Steifigkeit des Systems wider. Jede Änderung des Dichtewerts deutet auf strukturelle Abweichungen innerhalb des glasartigen Netzwerks hin. Sowohl die Werte der molaren Masse (Mm) (a) als auch des molaren Volumens (Vm) folgen einem ähnlichen Trend, da beide Parameter mit zunehmendem Prozentsatz des Sb-Gehalts (x) linear ansteigen. Aus dem Diagramm des molaren Volumens (Vm) und der molaren Masse (Mm) werden die linearen Gleichungen berechnet, die die Beziehung zwischen den Vm-Werten und den Mm-Werten mit der Variation des Sb-Anteils aufzeigen, die durch die folgenden Beziehungen dargestellt werden: Vm = 18.25 + 0.014  x and Mm = 101.50 + 0.428  x

Figure DE202022104505U1_0003
The density reflects the rigidity of the system. Any change in the density value indicates structural anomalies within the glassy network. Both the molar mass (Mm) (a) and molar volume (Vm) values follow a similar trend as both parameters increase linearly with increasing percentage of Sb content (x). From the molar volume (Vm) and molar mass (Mm) graph, the linear equations are calculated showing the relationship between the Vm values and the Mm values with the variation of the Sb content represented by the following relationships will: Vm = 18.25 + 0.014 x and Mm = 101.50 + 0.428 x
Figure DE202022104505U1_0003

Die Werte der Dichte sollten umgekehrt proportional zum molaren Volumen sein. Es wurden jedoch gegenteilige Ergebnisse erzielt. Diese Diskrepanz ergibt sich daraus, dass die Änderungsrate der molaren Masse (Mm) höher ist als die der Dichte, was wiederum das molare Volumen (Vm) mit der Zunahme des Sb-Gehalts (x) erhöht.Die folgende empirische Beziehung wird abgeleitet, um den Wert der Kompaktheit (δ) zu bewerten. δ = ( ( 17.6258 + 0.0173 x ) / Vm ) 1

Figure DE202022104505U1_0004
Density values should be inversely proportional to molar volume. However, opposite results were obtained. This discrepancy arises because the rate of change of molar mass (Mm) is higher than that of density, which in turn increases the molar volume (Vm) with increasing Sb content (x). The following empirical relationship is derived to evaluate the value of compactness (δ). δ = ( ( 17.6258 + 0.0173 x ) / Vm ) 1
Figure DE202022104505U1_0004

Es wird festgestellt, dass der bewertete Wert von δ weniger negativ wird, d.h. er nimmt mit der Zugabe des Sb-Gehalts (x) progressiv zu. Die allmähliche Zunahme des Kompaktheitswertes bedeutet, dass sich das System von einem schlaffen zu einem starren Netzwerk entwickelt und die mechanische Stabilität allmählich erreicht wird, was auch mit der berechneten durchschnittlichen Koordinationszahl <Z> korreliert werden kann. Aus dem Konzept der Perkolationstheorie ist bekannt, dass bei einem Schwellenwert von <Z> = 2.40 das glasartige System von einem schlaffen zu einem starren Netzwerk wird. Wenn der Wert von <Z> allmählich größer als 2.40 wird, nimmt auch die Steifigkeit des glasartigen Netzwerks zu.It is found that the evaluated value of δ becomes less negative, i.e. it progressively increases with the addition of the Sb content (x). The gradual increase in the compactness value means that the system evolves from a slack to a rigid network and mechanical stability is gradually reached, which can also be correlated with the calculated average coordination number <Z>. From the concept of percolation theory it is known that at a threshold of <Z> = 2.40 the glassy system changes from a slack to a rigid network. As the value of <Z> gradually increases beyond 2.40, the stiffness of the glassy network also increases.

Die 4a, 4b und 4c zeigen eine grafische Darstellung von (a) Molmasse, (b) Kompaktheit und (c) FVP in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt (x).the 4a , 4b and 4c show a plot of (a) molar mass, (b) compactness, and (c) FVP versus percentage Sb content (x).

Der linear ansteigende Trend der Kompaktheit (δ) bestätigt das Vorhandensein eines Anteils an freiem Volumen (FVP) in den untersuchten Proben. Daher ist es notwendig, den prozentualen Anteil des freien Volumens im glasartigen System zu bestimmen. Es ist zu beobachten, dass die ermittelten FVP-Werte mit steigendem Sb-Gehalt (x) allmählich von 3.41 auf 3.29 abnehmen. Die Packungsdichte (PD) ist ebenfalls ein wichtiger Parameter für Strukturuntersuchungen. In einem glasartigen Netzwerk gibt die Packungsdichte das Verhältnis zwischen dem genutzten Raum und dem zugewiesenen Raum an. Der Wert der PD kann abgeleitet werden und nimmt mit zunehmendem Sb-Gehalt (x) linear ab.The linearly increasing trend in compactness (δ) confirms the presence of a fraction of free volume (FVP) in the samples examined. Therefore it is necessary to determine the percentage of free volume in the glassy system. It can be observed that the determined FVP values gradually decrease from 3.41 to 3.29 with increasing Sb content (x). Packing density (PD) is also an important parameter for structural studies. In a vitreous network, the packing density indicates the ratio between the space used and the space allocated. The value of the PD can be derived and decreases linearly with increasing Sb content (x).

5a und 5b zeigen eine grafische Darstellung der Variation von (a) Polaronradius und (b) Feldstärke in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt (x). 5a and 5b show a graphical representation of the variation of (a) polaron radius and (b) field strength as a function of percentage Sb content (x).

Um die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Atomen in einem geordneten oder ungeordneten Material besser zu verstehen, wird das Konzept des Polarons eingeführt. In einem Halbleiter verringert die Erzeugung von Polaronen die Mobilität der Elektronen innerhalb des Materials. Für die Strukturuntersuchung ist es daher wichtig, Informationen über die Größe des Polarons zu erhalten, das sich im System bildet. Der Wert des Parameters NAD wird mit Hilfe der Naster-Kingery-Formel ermittelt.To better understand the interactions between electrons and atoms in an ordered or disordered material, the concept of the polaron is introduced. In a semiconductor, the generation of polarons decreases the mobility of electrons within the material. It is therefore important for the structural investigation to obtain information about the size of the polaron that forms in the system. The value of the NAD parameter is determined using the Naster-Kingery formula.

Die Feldstärke verstärkt das Se-Feld, das die anderen im System vorhandenen Atome beeinflusst. Der Wert der Feldstärke nimmt allmählich von 9.226 × 1015 cm-2 auf 8.554 × 1015 cm-2 ab. Die Ursache für die Abnahme der Feldstärke könnte in der Zunahme des durchschnittlichen Abstands liegen. Der Wert des Polaronradius nimmt zu, während die Werte der Feldstärke abnehmen, wenn die atomare Dichte abnimmt. Dieses Ergebnis deutet auf eine Zunahme der Kompaktheit des Systems und eine anschließende Abnahme des Anteils des freien Volumens hin.The field strength amplifies the Se field, which affects the other atoms present in the system. The value of the field strength gradually decreases from 9,226 × 1015 cm -2 to 8,554 × 1015 cm -2 . The reason for the decrease in field strength could be the increase in average distance. The value of the polaron radius increases while the values of the field strength decrease as the atomic density decreases. This result indicates an increase in the compactness of the system and a subsequent decrease in the fraction of free volume.

6a und 6b zeigen eine grafische Darstellung von (αhv) 0.5 gegen (hv) und (b) die Veränderung von Eg gegen den Prozentsatz des Sb-Gehalts (x). 6a and 6b shows a plot of (αhv) 0.5 versus (hv) and (b) the change in Eg versus percentage of Sb content (x).

Der Wert der optischen Bandlückenenergie (Eg) kann mit Hilfe der Davis-Mott-Beziehung bestimmt werden: α ( h υ ) = [ A ( h υ Eg ) ] n

Figure DE202022104505U1_0005
The value of the optical band gap energy (Eg) can be determined using the Davis-Mott relationship: a ( H υ ) = [ A ( H υ eg ) ] n
Figure DE202022104505U1_0005

Die Energie der einfallenden Photonen wird mit hv bezeichnet, und A ist der Parameter für das Bandende. Im obigen Ausdruck bezieht sich n auf die Art des Übergangs mit den Werten 1/2, 2, 3/2 und 3, die den direkten erlaubten Übergang, den indirekten erlaubten Übergang, den direkten verbotenen Übergang bzw. den indirekten verbotenen Übergang bezeichnen. Die Energielücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband wird als optische Bandlücke bezeichnet und als Eg dargestellt. Ein Diagramm von (ahv)0.5 gegen die Photonenenergie (hv) ist als Tauc-Diagramm bekannt, das unter Berücksichtigung des indirekten Übergangs gezeichnet wird.The energy of the incident photons is denoted by hv, and A is the end-of-band parameter. In the above expression, n refers to the type of transition with the values 1/2, 2, 3/2, and 3 denoting direct allowed transition, indirect allowed transition, direct forbidden transition, and indirect forbidden transition, respectively. The energy gap between the conduction band and the valence band is called the optical band gap and is represented as Eg. A plot of (ahv)0.5 versus photon energy (hv) is known as a Tauc plot, which is drawn with the indirect transition taken into account.

Um die Werte von Eg zu erhalten, werden die linearen Teile der Kurven auf der X-Achse zu (ahv)0.5 = 0 extrapoliert. Die Werte der optischen Bandlückenenergie der untersuchten Probe sinken von 1.264 eV auf 1.216 eV mit dem Sb-Gehalt (x).To obtain the values of Eg, the linear parts of the curves on the X-axis are extrapolated to (ahv)0.5 = 0. The optical band gap energy values of the examined sample decrease from 1,264 eV to 1,216 eV with the Sb content (x).

Da es sich um eine geladene Spezies handelt, verändert der Einbau von Sb in das glasartige Netzwerk die Population der „Valenzwechselpaare“ und modifiziert die Bandlücke. Außerdem wird die Verringerung der Energie der optischen Bandlücke auf die Verringerung der Kohäsionsenergie zurückgeführt, was mit den erhaltenen Werten der Kohäsionsenergie übereinstimmt.Being a charged species, the incorporation of Sb into the glassy network alters the population of “valency change pairs” and modifies the band gap. In addition, the reduction in optical bandgap energy is attributed to the reduction in cohesion energy, which is consistent with the cohesion energy values obtained.

Die Bandlückenenergie kann auch theoretisch mit Hilfe der Shimakawa-Relation (siehe unten) ermittelt werden: E Th g = α E g ( Se ) + β E g ( Te ) + γ E g ( Sn ) + δ E g ( Sb )

Figure DE202022104505U1_0006
The band gap energy can also be determined theoretically using the Shimakawa relation (see below): E th G = a E G ( se ) + β E G ( Te ) + g E G ( sn ) + δ E G ( Sb )
Figure DE202022104505U1_0006

7 zeigt eine grafische Darstellung des Trends der theoretisch und experimentell ermittelten Bandlückenenergiewerte für alle Proben. 7 shows a graphical representation of the trend of theoretically and experimentally determined band gap energy values for all samples.

Der Volumenanteil der jeweiligen Atome wird durch die Parameter α, β, γ und δ dargestellt. Die Werte der theoretischen Bandlückenenergie können mit Hilfe der in Tabelle 1 aufgeführten Werte der einzelnen Bandlücken ermittelt werden. Mit Hilfe der Shimakawa-Beziehung werden die theoretischen Bandlückenenergien berechnet. Es ist zu beobachten, dass die theoretisch geschätzten Werte der Bandlückenenergie ebenfalls einem ähnlichen Trend folgen wie die experimentell ermittelten Werte, und die Werte der Bandlückenenergie sinken von 1.18 eV auf 1.08 eV. Die Abnahme der Bandlückenenergie ist auf die Abnahme der Gesamtelektronegativität des Systems zurückzuführen.The volume fraction of each atom is represented by the parameters α, β, γ and δ. The values of the theoretical band gap energy can be determined using the values of the individual band gaps listed in Table 1. The theoretical band gap energies are calculated using the Shimakawa relationship. It is observed that the theoretically estimated band gap energy values also follow a similar trend as the experimentally determined values, and the band gap energy values decrease from 1.18 eV to 1.08 eV. The decrease in band gap energy is due to the decrease in the overall electronegativity of the system.

8 zeigt eine grafische Darstellung der Variation der Elektronegativität in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt (x). 8th shows a graphical representation of the variation of electronegativity as a function of the percentage Sb content (x).

Die erhaltenen Elektronegativitätswerte aller Proben sinken mit zunehmender Menge an Sb(x) von 2.27 auf 2.24. Der Ersatz eines elektronegativeren Se-Atoms durch ein weniger elektronegatives Sb-Atom führt zu einer Verringerung des mittleren Elektronegativitätswerts des Systems. Diese Verringerung der Elektronegativität ist auf die Verringerung der Bandlückenenergie des Systems zurückzuführen. Die optischen Parameter können auch mit Hilfe der Diagramme für den Transmissionsgrad (T) und den Reflexionsgrad (R) in Abhängigkeit von der Wellenlänge untersucht werden.The obtained electronegativity values of all samples decrease from 2.27 to 2.24 with increasing amount of Sb(x). Replacing a more electronegative Se atom with a less electronegative Sb atom leads to a decrease in the average electronegativity value of the system. This reduction in electronegativity is due to the reduction in the band gap energy of the system. Optical parameters can also be examined using the transmittance (T) and reflectance (R) versus wavelength plots.

9 zeigt eine grafische Darstellung der CB- und VB-Positionen von Se50-xTe30Sn20Sbx Chalkogenid-Glassystemen. 9 shows a plot of the CB and VB positions of Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass systems.

Ein Banddiagramm, das die Kanten des Leitungsbandes und des Valenzbandes zeigt. Das Diagramm zeigt, dass sich die Position des Leitungsbandes und des Valenzbandes allmählich zueinander verschieben, was zu einer Verringerung der Bandlücke in der Zusammensetzung führt. Der Einbau von Sb (x) in die Glasmatrix führt also zu einer Verringerung der Bandlücke, und die Probe besitzt einen Bandlückenenergiewert im Infrarotbereich. Die untersuchten Verbundwerkstoffe eignen sich daher für Anwendungen wie Nahinfrarot-Mikroskopiedetektoren und sind ein vielversprechender Kandidat für Solarzellen.A band diagram showing the edges of the conduction band and valence band. The diagram shows that the position of the conduction band and the valence band gradually shift towards each other, leading to a reduction in the band gap in the composition. Thus, the incorporation of Sb(x) into the glass matrix leads to a decrease in the band gap, and the sample has a band gap energy value im infrared range. The investigated composites are therefore suitable for applications such as near-infrared microscopy detectors and are a promising candidate for solar cells.

10 zeigt eine grafische Darstellung der Variation der Floppy-Modi und der Vernetzungsdichte in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt. 10 Figure 12 shows a graphical representation of the variation of floppy modes and crosslink density as a function of percentage Sb content.

Der Anteil der Floppy-Moden (f) ist ein wichtiger Parameter für die Untersuchung der Glasmatrix. Der Wert von f geht bei dem kritischen Wert von <Z> = 2.4 gegen Null. Glasnetzwerke mit einem Wert von <Z> kleiner als 2.4 werden als polymere Gläser mit einem Floppy-Netzwerk bezeichnet. Ist der Wert von <Z> hingegen größer als 2.4, handelt es sich um ein amorphes festes oder starres Glasnetzwerk. Der Anteil der Floppy-Moden (f) kann bestimmt werden durch: f = 2 5 < z > 6

Figure DE202022104505U1_0007
The fraction of the floppy modes (f) is an important parameter for studying the glass matrix. The value of f approaches zero at the critical value of <Z> = 2.4. Glass networks with a value of <Z> less than 2.4 are referred to as polymeric glasses with a floppy network. On the other hand, if the value of <Z> is greater than 2.4, it is an amorphous solid or rigid glass network. The proportion of floppy modes (f) can be determined by: f = 2 5 < e.g > 6
Figure DE202022104505U1_0007

Die Werte von f zeigen, dass der Wert von f gegen Null tendiert, wenn der Wert von <Z> sich 2.4 nähert. Mit zunehmendem Sb-Gehalt wird der Anteil der Floppy-Modes (f) immer negativer, da die Steifigkeit des Systems mit dem Sb-Gehalt (x) schrittweise zunimmt. Die Vernetzungsdichte der untersuchten Probe kann durch die folgende Beziehung bestimmt werden: D CL = N CO 2

Figure DE202022104505U1_0008
The values of f show that the value of f tends to zero as the value of <Z> approaches 2.4. As the Sb content increases, the fraction of the floppy modes (f) becomes more and more negative since the system stiffness increases step by step with the Sb content (x). The crosslink density of the examined sample can be determined by the following relationship: D CL = N CO 2
Figure DE202022104505U1_0008

Da die Steifigkeit des Netzes allmählich abnimmt, verringert sich auch der geschätzte Wert der Vernetzungsdichte (DCL) mit abnehmender durchschnittlicher Koordinationszahl (<Z>). Es wurde festgestellt, dass die Vernetzungsdichte des untersuchten Systems linear mit dem zunehmenden Sb-Gehalt (x) korreliert ist.As the stiffness of the mesh gradually decreases, the estimated value of the crosslink density (DCL) also decreases as the average coordination number (<Z>) decreases. It was found that the crosslink density of the investigated system is linearly correlated with the increasing Sb content (x).

11a und 11b zeigen eine grafische Darstellung der Variation des Parameters für das einsame Elektronenpaar (L) und des Parameters R in Abhängigkeit vom prozentualen Sb-Gehalt (x). 11a and 11b show a graphical representation of the variation of the lone pair parameter (L) and the parameter R as a function of the percentage Sb content (x).

Die Berechnung der einsamen Elektronenpaare (L) bestätigt den Grad der Glasbildungsfähigkeit. Der geschätzte Wert für die Anzahl der einsamen Elektronenpaare (L) wird durch die folgende Beziehung ermittelt. L = V < Z >

Figure DE202022104505U1_0009
Calculation of the lone pair of electrons (L) confirms the degree of glass-forming ability. The estimated value for the number of lone electron pairs (L) is found by the following relationship. L = V < Z >
Figure DE202022104505U1_0009

Dabei bezieht sich V auf das Valenzelektron. Es ist zu beobachten, dass die Werte von L höher als 3 sind, was die gute Glasbildungsfähigkeit der Bestandteile bestätigt. Im Allgemeinen ist der Wert von L größer als 1 für das ternäre System und größer als 2.6 für das binäre System. Der hohe Wert der einsamen Elektronenpaare (L) weist auf die Flexibilität der Zusammensetzung hin, die für optoelektronische Anwendungen erforderlich ist. Sie kann daher als optoelektronisches Bauelement wie LED oder Fotovoltaikdioden verwendet werden.where V refers to the valence electron. It can be observed that the values of L are higher than 3, confirming the good glass-forming ability of the components. In general, the value of L is greater than 1 for the ternary system and greater than 2.6 for the binary system. The high value of the lone pair of electrons (L) indicates the flexibility of the composition, which is required for optoelectronic applications. It can therefore be used as an optoelectronic component such as LEDs or photovoltaic diodes.

Die Abweichung von der Stöchiometrie wird durch einen Parameter mit der Bezeichnung R untersucht. Um die Starrheit des Netzwerks zu verstehen, muss die mittlere Bindungsenergie bestimmt werden, und für die geeignete Ableitung der mittleren Bindungsenergie ist es unerlässlich, die Abweichung von der Stöchiometrie zu schätzen. Das Verhältnis der kovalenten Bindungen der Chalkogenatome zu den in der Probe vorhandenen Nicht-Chalkogenatomen bestimmt den Parameter R. Das System gilt als chalkogenreich, wenn R > 1 ist. Ist R < 1, wird das System als chalkogenarm bezeichnet. Die ermittelten Werte von R steigen mit zunehmendem Sb-Gehalt (x) von 1.53 auf 1.63, was auf ein chalkogenreiches System hinweist.The deviation from stoichiometry is examined by a parameter called R. To understand the rigidity of the network, the mean binding energy needs to be determined, and for the proper derivation of the mean binding energy, it is essential to estimate the deviation from stoichiometry. The ratio of the covalent bonds of the chalcogen atoms to the non-chalcogen atoms present in the sample determines the parameter R. The system is considered chalcogen-rich if R > 1. If R < 1, the system is said to be low in chalcogen. The determined values of R increase with increasing Sb content (x) from 1.53 to 1.63, indicating a chalcogen-rich system.

12a und 12b zeigen eine grafische Darstellung der Variation von (a) mittlerer Bindungsenergie <E> und (b) Glasübergangstemperatur. (Tg) gegen den Prozentsatz des Sb-Gehalts (x). 12a and 12b show a graphical representation of the variation of (a) mean binding energy <E> and (b) glass transition temperature. (Tg) versus percentage of Sb content (x).

Der Wert von <E> nimmt mit steigendem Sb-Gehalt (x) progressiv zu, was auf die Zunahme der Glassteifigkeit mit dem Sb-Gehalt (x) hinweist. Die Glasübergangstemperatur ist ein wichtiges Merkmal für die Charakterisierung des glasartigen Zustands. Die mittlere Bindungsenergie wird theoretisch zur Bestimmung der Glasübergangstemperatur (Tg) unter Verwendung der folgenden Beziehung verwendet: Tg = 311 ( < E > 0.9 )

Figure DE202022104505U1_0010
The value of <E> progressively increases with increasing Sb content (x), indicating the increase in glass stiffness with Sb content (x). The glass transition temperature is an important property for characterizing the glassy state. The mean binding energy is theoretically used to determine the glass transition temperature (Tg) using the following relationship: day = 311 ( < E > 0.9 )
Figure DE202022104505U1_0010

Es ist zu beobachten, dass mit zunehmendem Sb-Gehalt (x) die Glasübergangstemperatur (Tg) ansteigt. Die Variation der Zusammensetzung der Glasübergangstemperatur wird mit dem Tichy-Tacha-Ansatz untersucht.It can be observed that as the Sb content (x) increases, the glass transition temperature (Tg) increases. The compositional variation of the glass transition temperature is studied with the Tichy-Tacha approach.

Die glasartigen Chalkogenidsysteme der Zusammensetzung Se50-xTe30Sn20Sbx (x = 2, 4, 6 und 8) wurden erfolgreich mit Hilfe der Schmelzabschreckungstechnik synthetisiert. Die physikalischen, strukturellen und optischen Parameter weisen eine signifikante Abhängigkeit von der Zusammensetzung auf. Die Chalkogenidsysteme werden mit steigendem Sb-Gehalt (x) dichter, was zu einer Zunahme der Kompaktheit und einer Abnahme der Packungsdichte des glasartigen Systems führt. Die Werte der einsamen Paarelektronen nehmen mit steigendem Sb-Gehalt (x) ab und haben einen Minimalwert von 3.04, der viel größer als 1 ist, was darauf hindeutet, dass das untersuchte System eine gute Glasbildungsfähigkeit hat. Die negativen Werte der Floppy Moden bestätigen die Steifigkeit des glasartigen Systems, was durch den Anstieg der mittleren Bindungsenergie noch einmal bestätigt wird. Der Parameter R > 1 zeigt, dass es sich bei der untersuchten Zusammensetzung um ein chalcogenreiches System handelt. Die theoretischen und experimentellen Werte der Bandlückenenergie nehmen mit steigendem Sb-Gehalt ab, da der Gesamtelektronegativitätswert des Systems sinkt. Die erhaltenen Werte der Bandlückenenergie weisen auf das Potenzial des untersuchten glasartigen Chalkogenidsystems als Kandidat für die Anwendung in Infrarotsensoren hin. Außerdem eignet sich das glasartige System aufgrund des erzielten Bandlückenenergiebereichs für die Anwendung in Solarzellengeräten. Sowohl die Transmissions- als auch die Reflexionsspektren liegen im Spektralbereich 200-800 nm, und es ist zu beobachten, dass alle Proben eine hohe Transmission bei Wellenlängen über 380 nm aufweisen. Der Anstieg des linearen Brechungsindexes mit steigendem Sb-Gehalt macht das System für die Herstellung von Lichtwellenleitern günstig. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das untersuchte System für die Entwicklung einer neuen Generation von optoelektronischen Geräten verwendet werden kann.The glassy chalcogenide systems of composition Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x (x = 2, 4, 6 and 8) have been successfully synthesized using the melt quenching technique. The physical, structural and optical parameters show a significant dependence on the composition. The chalcogenide systems become more dense with increasing Sb content (x), leading to an increase in compactness and a decrease in the packing density of the glassy system. The lone pair electron values decrease with increasing Sb content (x) and have a minimum value of 3.04, which is much larger than 1, indicating that the system studied has good glass-forming ability. The negative values of the floppy modes confirm the rigidity of the glassy system, which is confirmed by the increase in the mean binding energy. The parameter R > 1 shows that the investigated composition is a chalcogen-rich system. The theoretical and experimental values of the band gap energy decrease with increasing Sb content as the total electronegativity value of the system decreases. The obtained band gap energy values indicate the potential of the investigated glassy chalcogenide system as a candidate for application in infrared sensors. In addition, the bandgap energy range achieved makes the glassy system suitable for use in solar cell devices. Both the transmission and the reflection spectra are in the spectral range 200-800 nm and it can be observed that all samples have a high transmission at wavelengths above 380 nm. The increase in linear refractive index with increasing Sb content makes the system favorable for optical fiber fabrication. These results indicate that the investigated system can be used for the development of a new generation of optoelectronic devices.

Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. So kann beispielsweise die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können diejenigen Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.The figures and the preceding description give examples of embodiments. Those skilled in the art will understand that one or more of the elements described may well be combined into a single functional element. Alternatively, certain elements can be broken down into multiple functional elements. Elements from one embodiment may be added to another embodiment. For example, the order of the processes described herein may be changed and is not limited to the manner described herein. Additionally, the actions of a flowchart need not be performed in the order shown; Also, not all actions have to be carried out. Also, those actions that are not dependent on other actions can be performed in parallel with the other actions. The scope of the embodiments is in no way limited by these specific examples. Numerous variations are possible, regardless of whether they are explicitly mentioned in the description or not, e.g. B. Differences in structure, dimensions and use of materials. The scope of the embodiments is at least as broad as indicated in the following claims.

Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.Advantages, other benefits, and solutions to problems have been described above with respect to particular embodiments. However, the benefits, advantages, problem solutions, and components that can cause an advantage, benefit, or solution to occur or become more pronounced are not to be construed as a critical, required, or essential feature or component of any or all claims.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Ein System zur Synthese von Se50-xTe30Sn20Sbx-ChalkogenidglasA system for synthesizing Se 50-x Te 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass
102102
Mischkammermixing chamber
104104
MühleMill
106106
Achatmörtelagate grout
108108
Schmelzofenfurnace
110110
Vakuum-Quarz-AmpulleVacuum Quartz Ampoule
112112
Drehbares ModulRotating module
114114
Rollenmischerroller mixer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 7330634 B2 [0007]US 7330634 B2 [0007]

Claims (9)

System (100) zur Synthese von Se50-xTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglas, wobei das System (100) Folgendes umfasst: eine Mischkammer (102) zur Zugabe einer stöchiometrischen Menge einer Vielzahl von Verbindungen wie Selen (Se), Tellur (Te), Antimon (Sb) und Zinn (Sn); eine Mühle (104), die mit einem Achatmörser (106) verbunden ist, um die Vielzahl von Verbindungen bei Raumtemperatur nach dem Mischen zu mahlen, um eine homogenisierte Mischung zu erhalten; einen mit einer Vakuum-Quarz-Ampulle (110) verbundenen Ofen (108) zum Erhitzen der homogenisierten Mischung auf eine definierte Temperatur in mehreren Stufen, wobei in der ersten Stufe die homogenisierte Mischung auf eine erste Temperatur erhitzt wird, die niedriger als die definierte Temperatur ist, wobei in der zweiten Stufe die homogenisierte Mischung auf eine zweite Temperatur erhitzt wird, die höher als die erste Temperatur ist, um die definierte Temperatur zu erreichen; und ein mit dem Ofen (108) verbundenes Rotationsmodul (112) zum Drehen der Ampulle für eine gleichmäßige Erwärmung, um das homogene Chalkogenidglas zu erhalten.A system (100) for synthesizing Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass, the system (100) comprising: a mixing chamber (102) for adding a stoichiometric amount of a plurality of compounds such as selenium (Se), tellurium ( Te), antimony (Sb) and tin (Sn); a mill (104) connected to an agate mortar (106) for grinding the plurality of compounds at room temperature after mixing to obtain a homogenized mixture; a furnace (108) connected to a vacuum quartz ampoule (110) for heating the homogenized mixture to a defined temperature in multiple stages, the first stage heating the homogenized mixture to a first temperature lower than the defined temperature wherein in the second stage the homogenized mixture is heated to a second temperature higher than the first temperature to reach the defined temperature; and a rotation module (112) connected to the furnace (108) for rotating the ampoule for uniform heating to obtain the homogeneous chalcogenide glass. System nach Anspruch 1, wobei der Achatmörser (106) mit der Mischkammer (102) zum Mischen der stöchiometrischen Menge der mehreren Verbindungen verbunden ist.system after claim 1 wherein the agate mortar (106) is connected to the mixing chamber (102) for mixing the stoichiometric amount of the plurality of compounds. System nach Anspruch 1, wobei ein Walzenmischer (114) die gemahlene Mischung etwa 30-90 Minuten lang homogenisiert, um die homogenisierte Mischung zu erhalten.system after claim 1 wherein a roller mixer (114) homogenizes the milled mixture for about 30-90 minutes to obtain the homogenized mixture. System nach Anspruch 1, wobei die Vakuum-Quarz-Ampulle (110) mit der Walzenmischung (114) verbunden ist, um die homogenisierte Mischung zu versiegeln.system after claim 1 wherein the vacuum quartz ampoule (110) is connected to the roller mix (114) to seal the homogenized mix. System nach Anspruch 1, wobei die chemische Zusammensetzung des Se50-xTe30Sn20Sbx-Chalkogenidglases einen Wert von x = 2, 4, 6 und 8 hat.system after claim 1 , where the chemical composition of the Se 50 -xTe 30 Sn 20 Sb x chalcogenide glass has a value of x = 2, 4, 6 and 8. System nach Anspruch 1, wobei die gewünschte Temperatur 1000°C beträgt, wobei in der ersten Stufe die erste Temperatur auf 700°C erhöht wird, wobei in der zweiten Stufe die zweite Temperatur von 700°C auf 1000°C mit einer Heizrate von 4°Grad/min erhöht wird.system after claim 1 , wherein the desired temperature is 1000°C, in the first stage the first temperature is increased to 700°C, in the second stage the second temperature is increased from 700°C to 1000°C with a heating rate of 4°deg/min is increased. System nach Anspruch 1, wobei das homogenisierte Gemisch etwa 7-9 Stunden lang auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird.system after claim 1 , heating the homogenized mixture to the desired temperature for about 7-9 hours. System nach Anspruch 1, wobei die erhitzte homogenisierte Mischung mit kaltem Wasser, vorzugsweise Eiswasser, abgeschreckt wird, um eine Quarzampulle zu bilden.system after claim 1 wherein the heated homogenized mixture is quenched with cold water, preferably ice water, to form a quartz ampoule. System nach Anspruch 1, bei dem die Quarzampulle durch Zerkleinern mit dem Mahlwerk (104) in feines Pulver von vorzugsweise Mikrometergröße gebrochen wird.system after claim 1 , in which the quartz ampoule is broken into a fine powder of preferably micrometer size by crushing with the grinder (104).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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