HAL Id: jpa-00220831
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Submitted on 1 Jan 1981
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HARDNESS AND THERMAL CONDUCTIVITY OF As-Se-Te CHALCOGENIDE GLASSES
M. Kotkata, M.B. El-Den
To cite this version:
M. Kotkata, M.B. El-Den. HARDNESS AND THERMAL CONDUCTIVITY OF As-Se-Te CHALCOGENIDE GLASSES. Journal de Physique Colloques, 1981, 42 (C4), pp.C4-931-C4-934.
�10.1051/jphyscol:19814203�. �jpa-00220831�
HARDNESS AND THERMAL CONDUCTIVITY OF As-Se-Te CHALCOGENIDE GLASSES
M.F. Kotkata a n d M.B. El-den
Physics Department, i.'craulty o f Sc<ence, Ain Shams University, Cairo, Egypt.
A b s t r a c t . - T h e r e s u l t s o f t h e V i c k e r s F a r d n e s s ('IF) a n d t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y ( K ) o f t h e As-Se-Te g l a s s e s c o n t a i n i n g : 2 8 . 5
-
5 0 n t Z As,5 -
b 1 . 4 a t % S e , a n d 0 . 0-
5 7 a t5
Te a r e c i v e n . A t r e n d i n t h e v a r i a t i o n o f VH ( r o o m t e n p e r s t u r e ) w i t h c o m p o s i t i o n h a s b e e n o b s e r v e d . The d i f f e r e n c e i n n a t u r e a n d c o n c e n t r a t i o n o f t h e c h e ~ i c a l b o n d s b e t w e e n t h e s t o i c h i o s e t r i c s y s t e r . , Ps2Sej-P.s2Te,
a n d t h e o t h e r t w o a l l o y s y s t e a . s , P . s S e - A s T e a n d As2Se5-Ps T e,
a & u s e d t o e x p l a i n t h e c o n t r a s t i n g r e s a l t s . Below T ( t h z g ? a s s t r a n s i t i o n t e n p e r a t u r e ) t h e t h e r m a l c o n d - u c t i v i t y e o f t h e p l a s s e s i n c r e a s e w i t h t e a p e r a t u r e . S u c h i n c r e a s e i s p r o n o u n c e d a t sorre c o n l p o s i t i o n s . The c o m p o s i t i o n a l v a r i a t i o n o f K f o r t h e c h a l c o g e n i d e s y s t e r r s a l l e x h i b i t a d i p i n t h e c o n - d u c t i v i t y a t e q u a l p r o p o r t i o n s o f S e a n d T e . The v a l u e o f K(20C) o f t h e AsSe Te g l a s s e s v a r i e s b e t w e e n 0 . 1 8- (3.95
/ 1 ~ - ~ / c a l / c m . s e c . $ e g h n e e l e c t r o n i c c o n t r i b u t i o n o f t h e t h e r m a l c o n - d u c t i o n i n e a c h s y s t e m i s s t i p u l a t e d w i t h T e , w h e r e a s t h e m a i n m e c h a n i s m o f h e a t t r a n s p o r t i s by p h o n o n s . S o , t h e i n c r e a s e i n K t o w a r d t h e c o m p o s i t i o n e n d s i s c o n t r o l l e d b y t h e n u m b e r o fscatter in^
c e n t r e s i n t h e g l a s s r r a t r i x .I n t r o d u c t i o n . - C h a l c o ~ e n i d e g l a s s e s a r e o f i n t e r e s t f o r b o t h b a s i c r e s e a r c h e s a n d t e c h n o l o g i c a l a p p l i c a t i o n s b e c a u s e o f t h e i r u n i q u e o p t - i c a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s . One e x p l a n a t i o n o f t h e o b s e r v e d c o n d u - c t i o n c h a n r e s a c c o m p a n y i n f ? mono a n d b i s t a b l e s w i t c h i n g i s t h e r r a l a v a l a n c h i n e i n i t i a t e d when J o u l e
heat in^
e x c e e d s t h e h e a t t r a n s f e r r a t e / I / . H e n c e , t h e c o r r ? p o s i t i o n a l v a r i a t i o n o f t h e t h e r m a l c o n d u c t - i v i t y o f t h e c h a l c o g e n i d e g l a s s e s s h o u l d a f f e c t t h e v o l t a p e n e c e s s a r y f o r t h e o n s e t o f s w i t c h i n p . Mixed s y s t e m s o f b i n a r i e s s u c h a s t h e A s S s e 2 - a s 2 S , a n d P.s2Se -As2Te h a v e b e e n t h e s u b j e c t o f d e t a i l e d i n v - e s ~g t l o n s / 2 - 5 / . ~ o J e v e r , ? h e r e h a v e b e e n o n l y a few d a t a o n t h e m - a 1 p r o p e r t i e s o f t h e c h a 1 c o e e n i . d e g l a s s e s / 4 - 7 / .The i n t e r r e l a t i o n b e t w e e n t h e e l e c t r o n i c p r o p e r t i e s a n d n a t u r e o f t h e c h e m i c a l b o n d s i n a n a l l o y s y s t e m P.s-Se-Te h a s b e e n s t u d i e d / 8 / . The p r e s e n t work r e p r e s e n t s a d a t a o n t h e h a r d n e s s a n d t h e r m a l c o n d u c - t i v i t y o f d i f f e r e n t As-Se-Te compounds h a v i n ~ t h e g e n e r a l f o r m u l a AsSe Te
,
w i t h y=
2 . 5 ( s y s t e m P ) , 1 . 5 ( s y s t e m B ) , a n d 1 ( s y s t e m C ) , a n d ',fthx O < x < y . S a m p l e s p r e p a r a t i o n a n d t h e r r e a s u r i n p t e c h n i q u e s w e r e d e s c r i b e d i n p r e v i o u s p u b l i c a t i o n s / h , 8 , 9 / .Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19814203
JOURNAL DE PHYSIQUE
R e s u l t s and d i s c u s s i o n
H a r d n e s s . - The change o f t h e s a m p l e h a r d n e s s VH a s s o c i a t e d w i t h t h e i n t r o d u c t i o n o f Te i s shown i n f i g . 1. I t shows t h a t t h e e f f e c t o f Te on VH d i f f e r e s among t h e d i f f e r e n t s y s t e m s . Such b e h a v i o u r m i g h t b e c o r r e l a t e d w i t h t h e c o n c e n t r a t i o n and s t r e n g t h o f t h e d i f f e r e n t bonds formed i n t h e n e t w o r k s t r u c t u r e o f t h e m a t e r i a l s i n v e s t i g a t e d .
I n t h e p a r e n t g l a s s o f s y s t e m A , As2Se5
,
t h e r e a r e two t y p e s o f c h e m i c a l bonds As-Se and Se-Se w i t h a r a t i o 3 : l . The i n t r o d u c t i o n o f Te i n t h e a l l o y s y s t e m A s Se - A s Te l e a d s t o t h e cons- e c u t i v e f $ r m z t i o g o? As-Te, Se-Te, andTe-Te bonds w i t h t h e i r r e l a t i v e concen-
280
t r a t i o n depend on Te
%.
The f o r m a t i o no f Te-Te bonds s t a r t s a t c o m p o s i t i o n s E 2 4 0 h a v i n g
> 3 5
a t % Te. I n f i g . 1, a d d i t i o n \200
o f Te u p t o 2 8 a t % (AsSe Te) l e a d s t o
an i n c r e a s e i n VH from 7 6 ' 7 ~ s ~ e ) t o
k
1 6 088 k.gm/mm2. F u r t h e r a d d i t i o n o $ ' ~ T ~ , which l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f Se-Te
a n d t h e n Te-Te b o n d s , i s accompanied I by a d e c r e a s e i n VH t i l l i t r e a c h e s
8 1 k ,gm/mrn2 a t t h e r i c h Te s a m p l e , AsSe ( 5 7 a t % T e ) . T h i s i s l i k e l y t o bg'%::2to t h e d e c r e a s e i n t h e s t r e n - g t h o f t h e Se-Te and Te-Te bonds t h a n t h a t o f t h e Se-Se o n e s . w h e r e a s t h e r e s p e c t i v e v a l u e s o f t h e s e bonds a r e : 4 8 , 46.5 and 49.5 K , c a l / m o l e .
L , , , , , ,
)r
Q
20 40 60
The o b s e r v e d i n c r e a s e o f VH w i t h
m
Te f o r t h e s t o i c h i o m e t r i c s y s t e m B , In At:l.Te f i g . 1, i s a t t r i b u t e d t o t h e f o r m a t i o n
o f As-Te bonds a t t h e e x p e n s e o f t h e As-Se o n e s / 4 / .
F i g . 1 : Dependence of VH I n t h e c o m p o s i t i o n AsSe, two t y p e s on T e - c o n t e n t .
o f c h e m i c a l bonds As-Se and A s - A s e x i s t h a v i n g a r a t i o 4 : l . The i n t r o d u c t i o n o f Te u p t o 45 a t % (AsSe Te ) w i l l c a u s e
t h e f o r m a t i o n o f A S - T & ? ' $ O ~ ~ S ~ ~ ~ t h e e x p e n s e o f As-Se b o n d s , w h i l e t h e c o n c e n t r a t i o n o f A s - A s ( 6 9 . 4 K c a l / m o l e ) bonds r e m a i n c o n s t a n t
/ a / .
The A s - A s bonds c a u s e t h e i n c r e a s e o f VH i n a way more d e t e c t a b l e t h a n t h o s e p r o d u c e d i n t h e o t h e r two s y s t e m s . I n s y s t e m C , VH i n c r e a s e s from 1 6 3 t o 350 k.gm/mm2 w i t h T e - c o n t e n t f o r t h e c o m p o s i t i o n s i n v e s - t i g a t e d .
T h e r m a l c o n d u c t i v i t y . - F i g u r e 2 shows t h e t e m p e r a t u r e dependence o f t h e measured t h e r m a l c o n d u c t i v i t y K f o r t h e i n v e s t i g a t e d c o m p o s i t i o n s o f t h e s y s t e m s A and C. I t shows an i n c r e a s e f o r K w i t h t h e t e m p e r a t - u r e below T
.
T h i s s u g g e s t s t h e amorphous b e h a v i o u r o f t h e s a m p l e s . However, t h g i n c r e a s ei s
s m a l l f o r most c o m p o s i t i o n s and p r o n o u n c e d f o r o t h e r s , p a r t i c u l a r l y t h e r i c h Te s a m p l e s , e . g . AsSeOe5Te2 i n s y s - tem A and AsSeOelTeO.g i n s y s t e m C .I n a d d i t i o n t o l a t t i c e c o n d u c t i v i t y , K L , i n s e m i c o n d y c t i n g m a t - e r i a l s , t h e r e can be e l e c t r o n i c c o n t r i b u t i o n t o t h e t h e r m a l c o n d u c t i v - i t y , b u t t h e p h o t o n c o n t r i b u t i o n i s e x c l u d e d i n t h e m e a s u r e d t e m p e r a t -
20°C t o 2 . 3 ~ 1 0 - c a l / c m . s e c . d p 100°C. T h i s c o r r e s p o n d s t o an i n c r e a s e f r o m 1 . 2 x 1 0 - ~ ~ t o 5.0!10'" c a l / c m . s e c . d e g f o r AsSe. The e l e c t r o n i c c o n t r i b u t i o n o f t h e r m a l c u r r e n t shows an i n c r e a s e w i t h Te-
c o n t e n t , and i t s v a l u e s
PI
20°C f o r t h e Te r i c h s a m p l e s AsSeB 2Te2 and AsSeO. lTeO.g a r e 6 . 5 ~ 1 0 - and 6 . 2 x 1 0 - l 1 c a l / c m . s e c . d e p , r e s 6 t l v e l y .The b i p o l a r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y K c a u s e d by e l e c t r o n - h o l e p a i r s w i t h e n e r e y E d i f f u s i n g down t h e b ? e m p e r a t u r e g r a d i e n t , i s g i v e n f o r a w e l l - c o m p e n s a a d i n t r i n s i c s e m i c o n d u c t o r w i t h an o r d i n a r y p a r a - b o l i c b a n d a n d c u r r e n t c a r r i e r s c a t t e r i n g due t o a c o u s t i c phonons by t h e f o r m u l a / % I / ; K
=
(3K / 4 2 ) ( ( E /KBT) + 2 1 2 , where K R i s Boltzm- ann c o n s t a n t . The cbaqculate% v a l u e s o P K f o r t h e p a r e n t g l a s s e s A s Se a n d AsSe i n c r e a s e d , r e s e c t i v e l y ,bProm 2 . 4 ~ 1 ~ - 1 7 t o 2 . 4 ~ 1 0 - 1 4 ,..a
f2om 3 . 3 ~ 1 0 - 1 7 t o j . 7 ~ 1 0 - ~ 8 c a l / c m . s e c . d e g i n t h e t e m p e r a t u r e r a n g e o f 2 0-
100°C. I t i s s e e n t h a t K e x c e e d s K by a b o u t two o r d e r s o f m a g n i t u d e . A l s o , K shows an i n c r e k g e w i t h ~ e - $ o n t e n t .b P
F o r any As-Se-Te c o m p o s i t i o n t h e c a l c u l a t e d l a t t i c e component K L o f t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , u s i n g t h e f o r m u l a s u g g e s t e d by T u r n b u l l / 1 2 / , was f o u n d t o be o f t h e o r d e r o f t h e e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d v a l u e .
F i g . 2 : T e m p e r e t u r e d e p e n d e n c e o f t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f As-Se-Te g l a s s e s .
AsSe
- A s T e0.2
0.9
al
F i g . 3 : Dependence o f K 2 0 ° ~ on T e - c o n t e n t .
JOURNAL DE PHYSIQUE
T h u s , o n e may c o n c l u d e t h a t t h e m a i n c o n t r i b u t i o n o f h e a t t r a n s p o r t i n t h e i n v e s t i g a t e d e l a s s e s i s d u e t o p h o n o n s .
) . p a r t f r o m t h e c o m p o s i t i o n s o f t h e h i g h e s t T e - c o n t e n t w h e r e t h e char.ge i n K w i t h T i s l a r r e , o n e may a s s u m e t h a t t h e s p e c i f i c h e a t C h a s t h e s a p e q u a l i t a t i v e f e a t u r e s as t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y . T h a t
YS,
K i s r e l a t e d t o C
.
S o , a n e s t i m a t i o n f o r t h e mean f r e e p a t h 1 o f t h e p h o n o n s c a n b e o b r a i n e d f r o m t h e f o r m u l a p r o p o s e d by K i t t e l / 1 3 / , 'A=
3K/CvT. T h i s c o r r e s p o n d s t o 1 2-
1 3 O A f o r t h e p a r e n t g l a s s e s AsSe a n d As2Se5 a t room t e m p e r a t u r e , when t h e v a l u e s o f t h e a v e r a g e v e l o c i t y P a n d C a r e a s s u m e d t o b e u n c h a n g e d f r o n t h e v a l u e s o f A s S e / 6 / . T h i s v a l z e o f 'k w h i c h i s o f t h e o r d e r o f t h e u n i t c e l l d i m e g s i a n s / 1 4 / f o r t h e e l a s s e s c o n s i d e r e d , s u g g e s t i n g t h a t p h o n o n s c a t t e r i n g o c c u r s as t h e wave p r o p e F a t e s ;.:i i r : t e r a t o r i c d i s t a ~ c e , O r l e s s .As s e e r , frsr.? i ' i p . j, t h e t ! ; e r r a l c o n c ' u c ! . i v i t y a t 20°C c h a n g e s w i t h T e - c o n t e n t , h a v i n e a minimum v a l u e a t c o n c e n t r a t i o n o f e q u a l p r o p - o r t i o n o f S e a n d T e ; AsSc .Te ( 0 . 9 5 ~ 1 0 - 2 c a l / c m . s e c . d e g ) a n d AsSc Tee ( 0 . 3 ~ 1 0 - 2 c a l l $ h . s z 5 ? a e g ) . S i m i l a r r e s u l t s h a v e b e e n r e p - o r t e 9 . ) 3 / f a r As2&)-As T s 3 , w h e r e a d i g i n K was o b s e r v e d f o r t h e c o m p o s i t i o n o f AsSe ?e ( 0 . 1 8 x l O - c a l / c m . s e c . d e g ) . The d e c r e a s e o f t h e p h o n o n c o n d u ~ € l ? i t ~ ' ~ ? ~ h t b e e x p l a i n e d by t h e i n c r e a s e o f t h e umber o f s c a t t e r i n g d u e t o d i s s o l v i n p Te a t o m s i n t h e p a r e n t g l a s s m a t r i x . A s T e - c o n t e n t i n c r e a s e t o m o r e t h a n S e - c o n t e n t , S e a t o m s w i l l p l a y t h e r o l e o f
scatter in^
c e n t r e s i n t h e As-Se-Te g l a s s y a l l o y . A d d i t i o n a l i n c r e a s e i n T e - c o n t e n t l e a d s t o t h e d e c r e a s e o f t h e c o n c e n - t r a t i o n o f t h e S e s c a t t e r i n r c e n t r e s , l e a d i n g t o a n i n c r e a s e i n t h e r m a l c o n d u c t i l . i t y , f i g . 3.R e f e r e n c e s
/1/ Thomas C . R . a n d S a v a p e J . A . , J . N o n - C r y s t . S o l i d s , 2 3 ( 1 9 7 7 ) 1 3 9 . / 2 / Minarri T . , H a t t o r i M . , N a k a m a c h i F. a n d T a n a k a M . , J. N o n - C r y s t .
S o l i d s , 3 ( 1 9 7 0 ) 3 2 7 .
/ 3 / K i n s e r D.L., W i l s o n L S r K . , S a n d e r s R . R . a n d Hill D . J . , J . N o n - c r y s . S o l i d s , 8 - 1 0 ( 1 9 7 2 ) 8 2 3 .
/ 4 / E l - m o u s l y M . K . a n d K o t k a t a M.F., I n d i a n J. o f T e c h . , 1 5 ( 1 9 7 7 1 2 9 6 .
/ 5 /
E l - f o u l y M . t I . a n d Edmond J . T . , P h y s . S t a t . S o l . , 48 ( 1 9 7 8 ) 3 9 5 . / 6 / K o l o m i e t s B . T . , P a y a s o v a L. a n d S h t o u r a c h L . , S o v . P h y s .-
S o l i dS t a t e , 7 ( 1 9 6 5 ) 1 2 8 5 .
/ 7 / Edmond J . T . , J . N o n - C r y s t . S o l i d s , 1 ( 1 9 6 8 ) 3 9 .
/ 8 / E l - m o u s l y M . K . , K o t k a t a M.F. a n d E l - d e n M . B . , E g y p t . J. S o l i d s , 1 ( i g e o ) 1 6 6 .
/ 9 / K o t k a t a M.F., E l - m o u s l y M . K . a n d A t a l l a S . R . , P r o c . 1 4 t h I n t . Conf o n T h e r m a l C o n d u c t i v i t y , p p . 3 9 - 4 4 , USP ( S t o r s s )
,
1 9 7 5 ./ l o /
V e d e n e e v V . I . e t a ? , Hand Book o f E n e r g y o f D i s t r u c t i o n o f Chemic.B o n d s , Academy o f S c i e n c e , USSR, M o s c o , 1 9 6 2 .
/ l l / R e g e l A . R . , S m i r n o v I . A . a n d S h a d r i c m e v E . V . , J . N o n - C r y s t . S o l . , 8 - 1 0 ( 1 9 7 2 ) 2 6 6 .
/ 1 2 / T u r n b u l l A . C . , A u s t . J . A p p l . S c i . , 1 2 ( 1 9 6 1 ) 3 2 4 . / 1 3 / K i t t e l C . , P h y s . R e v . , 75 ( 1 9 4 9 ) 9 7 2 .
/ 1 4 / V a i p o l i n A . A . , S o v . P h y s . C r y s t a l l o g r a p h y , 1 0 ( 1 9 6 6 ) 5 0 9 .