Insight on the optoelectronic properties of novel quaternary Ge–Se–Tl–Sb non-crystalline glassy alloy films for optical fiber sensing devices

Abstract

Abstract Chalcogenide glass (Ge 0.1 Se 0.7 Tl 0.2 ) 85 Sb 15 is synthesized in bulk form by the melt quenching method and thermally evaporated as thin films. The amorphous character of the studied films is examined by XRD analysis. The values of refractive index ( $$n$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:math> ) and extinction index ( $$k$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:math> ) are estimated from transmittance $$T(\lambda )$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>T</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> data using Swanepoel’s method and are found to be thickness independent. The values of the indirect optical band gap ( $${E}_{g}^{{\text{opt}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>g</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mtext>opt</mml:mtext> </mml:msubsup> </mml:math> ) and Urbach tail ( $${E}_{{\text{U}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mtext>U</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> ) energies are 1.164 eV and 0.176 eV, respectively. The optical $${\sigma }_{{\text{opt}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mtext>opt</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and electrical $${\sigma }_{{\text{elec}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mtext>elec</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> conductivities of (Ge 0.1 Se 0.7 Tl 0.2 ) 85 Sb 15 films increase while the penetration depth $${P}_{{\text{d}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>P</mml:mi> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> decreases with photon energy ( $$h\nu$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>h</mml:mi> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> ). The Wemple-DiDomenico (WDD) oscillator model calculates optical parameters such as single-oscillator $${E}_{{\text{o}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mtext>o</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and strength $${E}_{{\text{d}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> energies, lattice dielectric constant $${\varepsilon }_{{\text{L}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>ε</mml:mi> <mml:mtext>L</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and ratio $${\text{N}}/{{\text{m}}}^{*}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtext>N</mml:mtext> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow/> <mml:mo>∗</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . The calculated values of third-order susceptibility $${\chi }^{(3)}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>χ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> and nonlinear index of refraction $${n}_{2}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:math> are 6.34 × 10 –12 and 3.76 × 10 –11 $${\text{esu}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mtext>esu</mml:mtext> </mml:math> . Dielectric constant $${\varepsilon }^{\prime}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>ε</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:msup> </mml:math> and loss $${\varepsilon }^{{\prime}{\prime}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>ε</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>′</mml:mo> <mml:mo>′</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> decrement with frequency and increment with temperature. The ac conductivity $${\sigma }_{{\text{ac}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mtext>ac</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> increases with frequency and temperature, which is proportional to $${\omega }^{s}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>ω</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msup> </mml:math> and the exponent $$s$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:math> decreases with temperature. The obtained results of $${\sigma }_{{\text{ac}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mtext>ac</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and

Topics & Concepts