Ge（锗）添加对S-Se-Pb硫属玻璃的物理、光学和机械性能的影响

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Influence of Ge Addition on physical, optical, and mechanical properties of S-Se-Pb chalcogenide glasses

Ge掺杂S-Se-Pb玻璃熔融淬火法制备，XRD证实非晶态。Ge含量增加致密度(3.02-3.54g/cm3)和Urbach能量(0.16-0.35eV)上升，带隙(1.71-2.04eV)下降。Wemple-Di Domenico模型分析色散关系，计算介电常数等参数。弹性模量测试显示纵波模量(22.87-37.85GPa)和杨氏模量(19.01-32.05GPa)随Ge增加而提升，与压缩模型理论吻合。S50?xSe40Pb10Ge20样品具最佳光学特性与机械稳定性，适用于光电器件。

　　本文探讨了一种新型的掺锗硫-硒-铅玻璃材料的合成与特性研究。研究团队通过熔融淬冷法成功制备了具有不同Ge含量的S-Se-Pb玻璃体系，其中Ge的含量分别为5%、10%、15%和20原子百分比，简称SSPG样品。该研究旨在评估这些玻璃材料的光学与机械性能，以期为光电子器件的开发提供具有优异性能的材料选择。

在合成过程中，研究人员采用高纯度（99.99%）的元素前驱体，并按照各自的原子百分比精确称量。每种成分的混合均通过研钵进行，以确保均匀性和纯度。随后，混合物在高温下熔融，并迅速冷却形成非晶态玻璃。这种合成方法是制备玻璃材料的常见手段，能够有效避免晶体结构的形成，从而获得所需的非晶态特性。

为了验证合成材料的非晶态结构，研究团队采用了X射线衍射（XRD）技术。XRD图谱显示，所有样品均呈现出宽泛的峰形，而非尖锐的衍射峰，这表明这些材料没有形成长程有序的晶体结构。此外，XRD图谱在小角度区域尤为明显，这进一步支持了玻璃的非晶态特性。XRD分析的结果表明，这些材料的结构在一定程度上存在无序性，这是其光学性能变化的重要原因。

研究团队还测量了这些玻璃材料的密度，发现随着Ge含量的增加，密度从3.02 g/cm3增加到3.54 g/cm3。这种密度的增加主要归因于Ge原子的引入，因为Ge原子的原子量大于S和Se，从而增加了材料的整体质量。同时，研究还发现，随着Ge含量的增加，光学带隙能量逐渐降低，从2.04 eV减少到1.71 eV。这表明Ge的掺杂改变了材料的电子结构，使其更倾向于吸收较低能量的光子。此外，Urbach能量则从0.16 eV增加到0.34 eV，这表明材料内部的结构无序性有所增强，这种无序性可能源于Ge原子的引入所引起的局部原子排列的变化。

为了进一步分析这些材料的光学特性，研究团队采用了Wemple-Di Domenico模型。该模型被广泛用于研究玻璃材料的光学带隙与折射率之间的关系。通过该模型，研究团队计算了材料的折射率与波长之间的关系，并探讨了这些光学参数的变化如何与Ge含量相关联。此外，研究还计算了复数介电常数、耗散因子以及损失函数（VELF和SELF参数），这些参数能够反映材料在不同频率下的光学响应特性。

在机械性能方面，研究团队通过测量纵向和横向声速来计算玻璃的弹性模量。实验结果显示，随着Ge含量的增加，纵向模量从22.87 GPa增加到37.85 GPa，而杨氏模量则从19.01 GPa增加到32.05 GPa。这表明Ge的掺杂显著提高了玻璃的机械稳定性。理论计算结果也表明，通过键压缩模型得到的弹性模量值与实验结果相吻合，进一步验证了Ge掺杂对玻璃结构的增强作用。

Ge的引入不仅提高了玻璃的机械性能，还对其光学特性产生了重要影响。Ge原子能够增加玻璃网络中的平均配位数和交联密度，使网络结构更加紧密和稳定。这种结构的改变有助于提高玻璃的形成能力，并改善其光学性能。此外，Ge的掺杂还能引入共价键，提高平均键能，从而增强玻璃的稳定性。这些特性使得Ge-S-Se玻璃体系在红外光学、光电子器件和光通信等领域具有重要的应用潜力。

研究还发现，Ge的掺杂对玻璃的短程和中程有序结构产生了显著影响。这种有序性的变化可能导致了新的缺陷的形成，从而进一步影响了材料的光学和物理性能。通过深入分析这些结构变化，研究团队能够更好地理解Ge掺杂对玻璃性能的影响机制，并为未来材料的设计和优化提供理论依据。

在光电子器件的应用中，材料的光学和机械性能至关重要。例如，光学调制器、滤波器、开关等设备需要具有良好的光学透明性和机械稳定性，以确保其在长时间使用中的性能。研究团队发现，当Ge含量为20原子百分比时，SSPG样品表现出最佳的光学特性与最高的机械稳定性。这一发现对于开发高性能的光电子器件具有重要意义。

此外，研究还强调了材料的热稳定性与机械强度之间的关系。Ge的掺杂不仅提高了玻璃的机械性能，还可能对其热稳定性产生积极影响。这是因为Ge原子的引入可以增强玻璃网络的连接性，从而降低材料在高温下的结构变化。这种热稳定性对于某些特定的工业应用尤为重要，如高温环境下的光学传感器和红外光学元件。

在实际应用中，光电子器件的性能不仅取决于材料的光学特性，还受到其机械性能的制约。因此，研究团队通过系统分析材料的光学和机械性能，为未来材料的设计提供了重要参考。通过优化Ge的掺杂比例，可以实现材料在光学透明性、机械强度和热稳定性之间的平衡，从而满足不同应用领域的需求。

研究团队还提到，尽管Ge掺杂对玻璃性能有显著影响，但目前关于Ge掺杂硫-硒-铅玻璃体系的研究仍较为有限。因此，这项研究填补了这一领域的空白，为后续研究提供了基础数据和理论支持。通过深入探讨Ge掺杂对玻璃性能的影响，研究团队希望为开发新型光电子材料提供新的思路和方法。

总体而言，这项研究展示了Ge掺杂对硫-硒-铅玻璃体系的深远影响。通过合成和表征这些材料，研究团队揭示了Ge掺杂如何改变玻璃的密度、光学带隙、Urbach能量以及弹性模量等关键特性。这些发现不仅有助于理解玻璃材料的结构-性能关系，还为未来光电子器件的材料选择和性能优化提供了重要的科学依据。