Раманівське дослідження фотоокислення скла As2S3 : Ag під дією видимого світла
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.3.206Ключові слова:
аморфнi напiвпровiдники, дифракцiя рентґенiвських променiв, раманiвська спектроскопiя, фотохiмiчнi реакцiї, окисленняАнотація
Зразки скла As2S3 : Ag (до 10 ат.% Ag) отримано охолодженням з розплаву. Їхню аморфну структуру пiдтверджено даними дифракцiї рентгенiвських променiв i раманiвської спектроскопiї. При збудженнi свiтлом лазера з довжиною хвилi λexc = 671 нм помiтних змiн у раманiвських спектрах при зростаннi вмiсту Ag не виявлено, так само як i при збудженнi лазером з λexc = 532 нм з низькою густиною потужностi Pexc = 4 кВт/см2. Тодi як для зразкiв iз вмiстом Ag понад 4 ат.% при збудженнi λexc = 532 нм з вищою Pexc = 40 кВт/см2 у спектрi з’являються новi вузькi пiки, чiтко iдентифiкованi як раманiвськi смуги арсенолiту (As2O3), який утворюється на поверхнi скла As2S3 : Ag при iнтенсивному опромiненнi. Це перше свiдчення фотоокислення скла на основi As2S3 пiд дiєю видимого свiтла, отримане методом раманiвської спектроскопiї. Ранiше подiбне спостерiгалося тiльки пiд дiєю ультрафiолетового свiтла, яке сильно поглиналося поверхневим шаром скла й вело до термiчного розкладу As2S3 в освiтленiй областi й окислення випаруваних атомiв арсену киснем повiтря. Очевидно, фотоокисленню сприяє наявнiсть срiбла у структурi скла, що зменшує його жорсткiсть, або ж пiдсилення фотохiмiчної реакцiї внаслiдок плазмонної взаємодiї падаючого свiтла з залишковими ультрамалими наночастинками срiбла, присутнiми у склоподiбному зразку.
Посилання
1. K. Tanaka. Photoinduced deformations in chalcogenide glasses. In Amorphous Chalcogenides: Advances and Applications. Edited by R.P. Wang (Pan Stanford Publishing, 2014), p. 59 [ISBN: 978-0-429-07429-5].
2. K. Tanaka, K. Shimakawa. Amorphous chalcogenide semiconductors and related materials (Springer, 2021) [ISBN: 978-3-030-69598-9].
https://doi.org/10.1007/978-3-030-69598-9
3. S.N. Yannopoulos. Athermal photoelectronic effects in noncrystalline chalcogenides: Current status and beyond. In The World Scientific Reference of Amorphous Materials. Edited by A.V. Kolobov, K. Shimakawa (World Scientific, 2021), p. 251 [ISBN: 978-981-12-1594-0].
https://doi.org/10.1142/9789811215575_0009
4. Y. Azhniuk, V. Kryshenik, M. Rahaman, V. Loya, V. Lopushansky, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn. Mass transport in amorphous As2S3 films due to directional light scattering under illumination by an oblique tightly focused beam. J. Non-Cryst. Solids 576, 121269 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.121269
5. B.J. Eggleton, B. Luther-Davies, K. Richardson. Chalcogenide photonics. Nature Photonics 5, 141 (2011).
https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.309
6. V.M. Kryshenik, Yu.M. Azhniuk, V.S. Kovtunenko. Alloptical patterning in azobenzene polymers and amorphous chalcogenides. J. Non-Cryst. Solids 512, 112 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.02.019
7. 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. Nature Photonics 8, 643 (2014).
https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.138
8. V.M. Kryshenik. Dynamic photoinduced changes of optical characteristics and effect of optical memory in amorphous As-S film-based waveguides. J. Non-Cryst. Solids 585, 121528 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121528
9. A. Kovalskiy, J. Cech, M. Vlcek, C.M. Waits, M. Dubey, W.R. Heffner, H. Jain, Chalcogenide glass e-beam and photoresists for ultrathin grayscale patterning. J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 8, 043012 (2009).
https://doi.org/10.1117/1.3273966
10. L. Su, C.J. Rowlands, S.R. Elliott. Nanostructures fabricated in chalcogenide glass for use as surface-enhanced Raman scattering substrates. Opt. Lett. 34, 1645 (2009).
https://doi.org/10.1364/OL.34.001645
11. P.J. Allen, B.R. Johnson, B.J. Riley. Photo-oxidation of thermally evaporated As2S3 thin films. J. Optoelectron. Adv. Mater. 7, 1759 (2005).
12. P. Knotek, M. Vlcek, M. Kincl, L. Tichy. On the ultraviolet light induced oxidation of amorphous As2S3 film. Thin Solid Films 520, 5472 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.03.116
13. A. Kovalskiy, M. Vlcek, K. Palka, J. Buzek, J. YorkWinegar, J. Oelgoetz, R. Golovchak, O. Shpotyuk, H. Jain, Structural origin of surface transformations in arsenic sulfide thin films upon UV-irradiation. Appl. Surf. Sci. 394, 604 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.10.002
14. Y. Azhniuk, D. Solonenko, V. Loya, I. Grytsyshche, V. Lopushansky, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn. Raman evidence for surface oxidation of amorphous As2S3 thin films under ultraviolet irradiation. Appl. Surf. Sci. 467-468, 119 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.10.157
15. Yu.M. Azhniuk, V.M. Dzhagan, D. Solonenko, A. Mukherjee, V.Yu. Loya, I.V. Grytsyshche, V.V. Lopushansky, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn, Laser annealing-induced formation of CdS nanocrystals in Cd-doped amorphous As2S3 thin films. Phys. Status Solidi B 256, 1800298 (2019).
https://doi.org/10.1002/pssb.201800298
16. Y.M. Azhniuk, V.V. Lopushansky, V.Yu. Loya, V.M. Kryshenik, V.M. Dzhagan, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn. Raman study of laser-induced formation of II-VI nanocrystals in zinc-doped As-S(Se) films. Appl. Nanosci. 10, 4831 (2020).
https://doi.org/10.1007/s13204-020-01269-2
17. M. Ohta, M. Tsutsumi, F. Izumi, S. Ueno. Phase separation and structural change accompanying the introduction of silver to arsenic trisulphide glass. J. Mater. Sci. 17, 2431 (1982).
https://doi.org/10.1007/BF00543755
18. F. Kyriazis, A. Chrissanthopoulos, V. Dracopoulos, M. Krbal, T. Wagner, M. Frumar, S.N. Yannopoulos, Effect of silver doping on the structure and phase separation of sulfur-rich As-S glasses: Raman and SEM studies. J. Non-Cryst. Solids 355, 2010 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.04.070
19. Th.Ch. Hasapis, K.S. Andrikopoulos, E. Hatzikraniotis, V. Dracopoulos, T. Wagner, S.N. Yannopoulos, K.M. Paraskevopoulos, Vibrational properties of silver-doped arsenic chalcogenide bulk glasses. AIP Conf. Proc. 1203, 283 (2010).
https://doi.org/10.1063/1.3322451
20. K.S. Andrikopoulos, J. Arvanitidis, V. Dracopoulos, D. Christofilos, T. Wagner, S.N. Yannopoulos. Nanoindentation and Raman studies of phase-separated Ag-As-S glasses. Appl. Phys. Lett. 99, 171911 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3651494
21. M. Frumar, T. Wagner. Ag doped chalcogenide glasses and their applications. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 7, 117 (2003).
https://doi.org/10.1016/S1359-0286(03)00044-5
22. D.G. Georgiev, P. Boolchand, K.A. Jackson, Intrinsic nanoscale phase separation of bulk As2S3 glass. Phil. Mag. 83, 2941 (2003).
https://doi.org/10.1080/1478643031000151196
23. P. Chen, C. Holbrook, P. Boolchand, D.G. Georgiev, K.A. Jackson, M. Micoulaut. Intermediate phase, network demixing, boson and floppy modes, and compositional trends in glass transition temperatures of binary AsxS1−x system. Phys. Rev. B 78, 224208 (2008).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.224208
24. R. Holomb, M. Veres, V. Mitsa. Ring-, branchy-, and cagelike AsnSm nanoclusters in the structure of amorphous semiconductors: ab initio and Raman study. J. Optoelectron. Adv. Mater. 11, 917 (2009).
25. R. Golovchak, O. Shpotyuk, J.S. McCloy, B.J. Riley, C.F. Windisch, S.K. Sundaram, A. Kovalskiy, H. Jain, Structural model of homogeneous As-S glasses derived from Raman spectroscopy and high-resolution XPS. Phil. Mag. 90, 4489 (2010).
https://doi.org/10.1080/14786435.2010.510455
26. S.N. Yannopoulos, K.S. Andrikopoulos, D.Th. Kastrissios, G.N. Papatheodorou. Origin of photoinduced defects in glassy As2S3 under band gap illumination studied by Raman scattering: A revisory approach. Phys. Status Solidi B 249, 2005 (2012).
https://doi.org/10.1002/pssb.201200385
27. D. Tsiulyanu, M. Veres, R. Holomb, M. Ciobanu. Raman scattering evidence on the correlation of middle range order and structural self-organization of As-S-Ge glasses in the intermediate phase region, J. Non-Cryst. Solids 609 (2023) 122255. J. Non-Cryst. Solids 609, 122255 (2023).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122255
28. O. Alekperov, Z. Jahangirli, R. Paucar. First-principles lattice dynamics and Raman scattering in ionic conductor β-Ag2S. Phys. Status Solidi B 253, 2049 (2016).
https://doi.org/10.1002/pssb.201552784
T. W´agner, Mir. Vlˇcek, S.O. Kasap, Mil. Vlˇcek, M. Frumar. Changing the composition of Ag-As-S amorphous films using photo-induced solid state reaction. J. NonCryst. Solids 284, 168 (2001).
https://doi.org/10.1016/S0022-3093(01)00397-0
30. M. Krbal, T. Wagner, T. Kohoutek, P. Nemec, J. Orava, M. Frumar. The comparison of Ag-As33S67 films prepared by thermal evaporation (TE), spin-coating (SC) and a pulsed laser deposition (PLD. J. Phys. Chem. Solids 68, 953 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.03.036
31. A. Stronski, L. Revutska, A. Meshalkin, O. Paiuk, E. Achimova, A. Korchovyi, K. Shportko, O. Gudymenko, A. Prisacar, A. Gubanova, G. Triduh. Structural properties of Ag-As-S chalcogenide glasses in phase separation region and their application in holographic grating recording. Opt. Mater. 94, 393 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.06.016
32. S.J. Gilliam, C.N. Merrow, S.J. Kirkby, J.O. Jensen, D. Zeroka, A. Banerjee. Raman spectroscopy of arsenolite: crystalline cubic As4O6. J. Solid State Chem. 173, 54 (2003).
https://doi.org/10.1016/S0022-4596(03)00082-3
33. Yu.M. Azhniuk, D. Solonenko, V.Yu. Loya, V.M. Kryshenik, V.V. Lopushansky, A. Mukherjee, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn, Flexoelectric and local heating effects on CdSe nanocrystals in amorphous As2Se3 films. Mater. Res. Expr. 6, 095913 (2019).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3241
34. H. Fritzsche. Photo-induced fluidity of chalcogenide glasses. Solid State Commun. 99, 153 (1996).
https://doi.org/10.1016/0038-1098(96)00218-9
35. K. Tanaka, K. Shimakawa. Mechanisms of photoinduced fluidity in chalcogenide glasses: Molecular orbital analyses. J. Non-Cryst. Solids 481, 579 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.12.005
36. Y. Azhniuk, V. Dzhagan, D. Solonenko, V. Loya, I. Grytsyshche, V. Lopushansky, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn, In-doped As2Se3 thin films studied by Raman and X-ray photoelectron spectroscopies. Appl. Surf. Sci. 471, 943 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.12.097
37. I.P. Studenyak, M. Kranjˇcec, M.M. Pop. Urbach absorption edge and disordering processes in As2S3 thin films. J. Non-Cryst. Solids 357, 3866 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2011.07.032
38. O.I. Shpak, M.M. Pop, I.I. Shpak, I.P. Studenyak. Refractometric studies of chalcogenide glasses in Ag-As-S system. Opt. Mater. 35, 297 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.optmat.2012.09.004
39. Y. Azhniuk, V. Lopushansky, V. Loya, D. Solonenko, V. Kryshenik, I.M. Voynarovych, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn. Raman evidence for the oxidation of amorphous arsenic chalcogenide film surfaces under visible light. Mater. Res. Expr. 11, 046405 (2024).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad3f7b
40. F.T.H. Broers, K. Janssens, J. Nelson Weker, S.M. Webb, A. Mehta, F. Meirer, K. Keune. Two pathways for the degradation of orpiment pigment (As2S3) found in paintings. J. Amer. Chem. Soc. 145, 8847 (2023).
https://doi.org/10.1021/jacs.2c12271
41. Y. Azhniuk, V. Lopushansky, S. Hasynets, V. Kryshenik, A.V. Gomonnai, D.R.T. Zahn. Photoinduced transformations in (As1−xBixS3) glass observed by Raman spectroscopy. J. Raman Spectrosc. 55, 637 (2024).
https://doi.org/10.1002/jrs.6658
42. K. Keune, J. Mass, F. Meirer, C. Pottasch, A. van Loon, A. Hull, J. Church, E. Pouyet, M. Cotte, A. Mehta. Tracking the transformation and transport of arsenic sulfide pigments in paints: synchrotron-based X-ray micro-analyses. J. Anal. At. Spectrom. 30, 813 (2015).
https://doi.org/10.1039/C4JA00424H
43. M. Vermeulen, J. Sanyova, K. Janssens, G. Nuyts, S. De Meyer, K. De Wael. The darkening of copper- or lead-based pigments explained by a structural modification of natural orpiment: a spectroscopic and electrochemical study. J. Anal. At. Spectrom. 32, 1331 (2017).
https://doi.org/10.1039/C7JA00047B
44. A. Kovalskiy, A. Ganjoo, S. Khalid, H. Jain. Combined high-resolution XPS and EXAFS study of Ag photodissolution in a-As2S3 thin film, J. Non-Cryst. Solids 356, 2332 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2010.02.021
45. M. Popescu, F. Sava, A. Lorinczi, A. Velea, M. Leonovici, S. Zamfira. Silver/amorphous As2S3 heterostructure. J. Optoelectron. Adv. Mater. 11, 1586 (2009).
46. F. Sava, M. Popescu, A. L¨orinczi, A. Velea. Possible mechanism of Ag photodiffusion in a-As2S3 thin films. Phys. Status Solidi B 250, 999 (2013).
https://doi.org/10.1002/pssb.201248517
47. K. Ogusu, Y. Hosokawa, S. Maeda, M. Minakata, H. Li. Photo-oxidation of As2Se3, Ag-As2Se3, and Cu-As2Se3 chalcogenide films. J. Non-Cryst. Solids 351, 3132 (2005).
https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.07.034
48. A.V. Stronski, M. Vlˇcek, A.I. Stetsun, A. Sklenaˇr, P.E. Shepeliavyi. Raman spectra of Ag- and Cu- photodoped chalcogenide films. Semicond. Phys. Quantum Electron. Optoelectron. 2 (2), 63 (1999).
https://doi.org/10.15407/spqeo2.02.063
49. J. Tasseva, R. Todorov, Tz. Babeva, K. Petkov. Structural and optical characterization of Ag photo-doped thin As40S60−xSex films for non-linear applications. J. Opt. 12, 065601 (2010).
https://doi.org/10.1088/2040-8978/12/6/065601
50. J. Orava, T. Wagner, M. Krbal, T. Kohoutek, Mil. Vlcek, L. Benes, E. Kotulanova, P. Bezdicka, P. Klapetek, M. Frumar. Selective wet-etching of amorphous/crystallized Ag-As-S and Ag-As-S-Se chalcogenide thin films. J. Phys. Chem. Solids 68, 1008 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.03.056
51. K.O. ˇCajko, M. Dimitrievska, D.L. Sekuli´c, D.M. Petrovi´c, S.R. Luki´c-Petrovi´c. Ag-doped As-S-Se chalcogenide glasses: a correlative study of structural and dielectrical properties. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 32, 6688 (2021).
https://doi.org/10.1007/s10854-021-05384-w
52. I.M. Bolesta, M.M. Vakiv, V.G. Haiduchok, I.I. Kolych, A.A. Kushnir, I.M. Rovetskyy, Yu.M. Furgala. Plasmon absorption by silver nanoparticles on LiNbO3 surface. Ukr. J. Phys. 62, 39 (2017).
https://doi.org/10.15407/ujpe62.01.0039
53. I. Indutnyi, V. Mynko, M. Sopinskyy, P. Lytvyn. Impact of surface plasmon polaritons on silver photodiffusion into As2S3 film. Plasmonics 16, 181 (2021).
https://doi.org/10.1007/s11468-020-01275-8
54. V.O. Yukhymchuk, V.M. Rubish, V.M. Dzhagan, O.M. Hreshchuk, O.F. Isaieva, N.V. Mazur, M.O. Durkot, A.A. Kryuchyn, V.K. Kyrylenko, V.M. Novichenko, V.V. Kremenytskyi, Z.V. Maksimenko, M.Ya. Valakh. Surface-enhanced Raman scattering of As2S3 and Se thin films formed on Au nanostructures. Semicond. Phys. Quantum Electron. Optoelectron. 26, 49 (2023).
55. I.Z. Indutnyi, V.O. Yukhymchuk, V.I. Mynko, S.V. Mamykin, N.V. Mazur, O.F. Isaieva, V.M. Dzhagan, V.A. Danko, V.S. Yefanov, A.A. Korchovyy, P.M. Lytvyn. Shape effect of laterally ordered nanostructures on the efficiency of surface-enhanced Raman scattering. Ukr. J. Phys. 69, 11 (2024).
https://doi.org/10.15407/ujpe69.1.11
56. M. Ceppatelli, D. Scelta, M. Serrano-Ruiz, K. Dziubek, M. Morana, V. Svitlyk, G. Garbarino, T. Por¸eba, M. Mezouar, M. Peruzzini, R. Bini. Single-bonded cubic AsN from high-pressure and high-temperature chemical reactivity of arsenic and nitrogen. Angew. Chem. Int. Ed. 66, e202114191 (2022).
https://doi.org/10.1002/anie.202114191
57. T. Chivers, C. Lau. Raman spectroscopic identification of the S4N− and S3N− ions in blue solutions of sulfur in liquid ammonia. Inorg. Chem. 21, 453 (1982).
https://doi.org/10.1021/ic00131a089
58. S.H. Aryal, K.M. Page, S.M. Hyatt, R. Liu. Reassignment of fundamental vibrational modes of cyclic S4N3 cation. Spectrochim. Acta A 56, 851 (2000).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
