The super-bandgap laser irradiation of the in situ prepared As-S chalcogenide films was found to cause drastic structural transformations and unexpected selective diffusion processes, leading to As enrichment on the nanolayer surface. Excitation energy dependent synchrotron radiation photoelectron spectroscopy showed complete reversibility of the molecular transformations and selective laser-driven mass transport during “laser irradiation”-“thermal annealing” cycles. Molecular modeling and density functional theory calculations performed on As-rich cage-like clusters built from basic structural units indicate that the underlying microscopic mechanism of laser induced transformations is connected with the realgar-pararealgar transition in the As-S structure. The detected changes in surface composition as well as the related local and molecular structural transformations are analyzed and a model is proposed and discussed in detail. It is suggested that the formation of a concentration gradient is a result of bond cleavage and molecular reorientation during transformations and anisotropic molecular diffusion.
REFERENCES
1.
R.
Frerichs
, J. Opt. Soc. Am.
43
, 1153
(1953
).2.
W. A.
Fraser
and J.
Jerger
, Jr., J. Opt. Soc. Am.
43
, 332
(1953
).3.
A. R.
Hilton
, Chalcogenide Glasses for Infra-Red Optics
(McGraw Hill
, New York
, 2010
).4.
Chalcogenide Glasses. Preparation, Properties and Applications
, edited by J.-L.
Adam
and X.
Zhang
(Woodhead Publishing Limited
, Oxford, Cambridge, Philadelphia, New Delhi
, 2014
).5.
S. R.
Ovshinsky
, Phys. Rev. Lett.
21
, 1450
(1968
).6.
M.
Wuttig
and N.
Yamada
, Nat. Mater.
6
, 1004
(2007
).7.
R. E.
Simpson
, P.
Fons
, A. V.
Kolobov
, T.
Fukaya
, M.
Krbal
, T.
Yagi
, and J.
Tominaga
, Nat. Nanotechnol.
6
, 501
(2011
).8.
V. G.
Ta’eed
, N. J.
Baker
, L.
Fu
, K.
Finsterbusch
, M. R. E.
Lamont
, D. J.
Moss
, H. C.
Nguyen
, B. J.
Eggleton
, D. Y.
Choi
, S.
Madden
, and B.
Luther-Davies
, Opt. Express
15
, 9205
(2007
).9.
R.
Wang
, J.
Wei
, and Y.
Fan
, Opt. Express
22
, 4973
(2014
).10.
M. C.
Nguyen
, J.-H.
Choi
, X.
Zhao
, C.-Z.
Wang
, Z.
Zhang
, and K.-M.
Ho
, Phys. Rev. Lett.
111
, 165502
(2013
).11.
Y. E.
Romanyuk
, H.
Hagendorfer
, P.
Stücheli
, P.
Fuchs
, A. R.
Uhl
, C. M.
Sutter-Fella
, M.
Werner
, S.
Haass
, J.
Stückelberger
, C.
Broussillou
, P.-P.
Grand
, V.
Bermudez
, and A. N.
Tiwari
, Adv. Funct. Mater.
25
, 12
(2015
).12.
L.
Zhang
, K.
Yang
, J.
Mi
, L.
Lu
, L.
Zhao
, L.
Wang
, Y.
Li
, and H.
Zeng
, Adv. Energy Mater.
5
, 1501294
(2015
).13.
M.
Mitkova
and M. N.
Kozicki
, J. Non-Cryst. Solids
299-302
, 1023
(2002
).14.
J.-Z.
Wu
and P. C.
Ho
, Eur. J. Pharm. Sci.
29
, 35
(2006
).15.
Z.
Bujňáková
, P.
Baláž
, P.
Makreski
, G.
Jovanovski
, M.
Čaplovičová
, Ļ.
Čaplovič
, O.
Shpotyuk
, A.
Ingram
, T.-C.
Lee
, J.-J.
Cheng
, J.
Sedlák
, E.
Turianicová
, and A.
Zorkovská
, J. Mater. Sci.
50
, 1973
(2015
).16.
D. H.
Cha
, H.-J.
Kim
, Y.
Hwang
, J. C.
Jeong
, and J.-H.
Kim
, Appl. Opt.
51
, 5649
(2012
).17.
M.-L.
Anne
, J.
Keirsse
, V.
Nazabal
, K.
Hyodo
, S.
Inoue
, C.
Boussard-Pledel
, H.
Lhermite
, J.
Charrier
, K.
Yanakata
, O.
Loreal
, J. L.
Person
, F.
Colas
, C.
Compère
, and B.
Bureau
, Sensors
9
, 7398
(2009
).18.
K.
Tanaka
, J. Non-Cryst. Solids
352
, 2580
(2006
).19.
K.
Tanaka
and H.
Hisakuni
, J. Non-Cryst. Solids
198-200
, 714
(1996
).20.
S.
Wong
, M.
Deubel
, F.
Pérez-Willard
, S.
John
, G. A.
Ozin
, M.
Wegener
, and G.
von Freymann
, Adv. Mater.
18
, 265
(2006
).21.
T.
Kohoutek
, M. A.
Hughes
, J.
Orava
, M.
Mastumoto
, T.
Misumi
, H.
Kawashima
, T.
Suzuki
, and Y.
Ohishi
, J. Opt. Soc. Am. B
29
, 2779
(2012
).22.
I.
Csarnovics
, M.
Veres
, P.
Nemec
, M. R.
Latif
, P.
Hawlova
, S.
Molnar
, and S.
Kokenyesi
, J. Non-Cryst. Solids
459
, 51
(2017
).23.
V.
Mitsa
, R.
Holomb
, G.
Lovas
, A.
Kondrat
, M.
Veres
, A.
Czitrovszky
, L.
Himics
, and A.
Csik
, Atmospheric Corrosion of Telecommunication Optical Media for Chalcogenide Photonics: Glassy and Crystalline Germanium Disulfide
(Publishing House “FOP Sabov A.M.”
, Uzhhorod
, 2017
).24.
B. J.
Eggleton
, B.
Luther-Davies
, and K.
Richardson
, Nat. Photonics
5
, 141
(2011
).25.
H.
Zhang
, C.-X.
Liu
, X.-L.
Qi
, X.
Dai
, Z.
Fang
, and S.-C.
Zhang
, Nat. Phys.
5
, 438
(2009
).26.
T.
Kohoutek
, T.
Wagner
, J.
Orava
, M.
Krbal
, A.
Fejfar
, T.
Mates
, S. O.
Kasap
, and M.
Frumar
, J. Non-Cryst. Solids
353
, 1437
(2007
).27.
J. T.
Bloking
, S.
Krishnaswami
, H.
Jain
, M.
Vlcek
, and R. P.
Vinci
, Opt. Mater.
17
, 453
(2001
).28.
O.
Kondrat
, R.
Holomb
, N.
Popovich
, V.
Mitsa
, M.
Veres
, A.
Csik
, N.
Tsud
, V.
Matolín
, and K. C.
Prince
, J. Non-Cryst. Solids
410
, 180
(2015
).29.
R.
Golovchak
, A.
Kovalskiy
, A. C.
Miller
, H.
Jain
, and O.
Shpotyuk
, Phys. Rev. B
76
, 125208
(2007
).30.
O. I.
Shpotyuk
, R. Ya.
Golovchak
, H.
Jain
, and A.
Kozdras
, J. Phys. Chem. Solids
68
, 901
(2007
).31.
V.
Mitsa
, R.
Holomb
, O.
Kondrat
, N.
Popovich
, N.
Tsud
, V.
Matolín
, K. C.
Prince
, G.
Lovas
, S.
Petretskiy
, and S.
Tóth
, J. Non-Cryst. Solids
401
, 258
(2014
).32.
N.
Sheremet
, Yu.
Kurioz
, M.
Klebanov
, V.
Lyubin
, K.
Slyusarenko
, and Yu.
Reznikov
, Phys. Rev. E
85
, 051703
(2012
).33.
O.
Kondrat
, R.
Holomb
, V.
Mitsa
, M.
Veres
, and N.
Tsud
, Funct. Mater.
24
, 547
(2017
).34.
O. B.
Kondrat
, R. M.
Holomb
, A.
Csik
, V.
Takats
, M.
Veres
, A.
Feher
, T.
Duchon
, K.
Veltruska
, M.
Vondráček
, N.
Tsud
, V.
Matolin
, K. C.
Prince
, and V. M.
Mitsa
, Appl. Nanosci.
(published online).35.
A. M.
Andriesh
, Yu. A.
Bykovskiĭ
, É. P.
Kolomeĭko
, A. V.
Makovkin
, V. L.
Smirnov
, and A. V.
Shmal’ko
, Sov. J. Quantum Electron.
7
, 347
(1977
).36.
H.
Hisakuni
and K.
Tanaka
, Appl. Phys. Lett.
65
, 2925
(1994
).37.
A.
Ozols
, O.
Salminen
, P.
Riihola
, and P.
Mönkkönen
, J. Appl. Phys.
79
, 3397
(1996
).38.
S. R.
Elliott
, J. Non-Cryst. Solids
81
, 71
(1986
).39.
K.
Tanaka
and Y.
Ohtsuka
, Thin Solid Films
57
, 59
(1979
).40.
A.
Saliminia
, T. V.
Galstian
, and A.
Villeneuve
, Phys. Rev. Lett.
85
, 4112
(2000
).41.
O.
Kondrat
, R.
Holomb
, A.
Csik
, V.
Takats
, M.
Veres
, and V.
Mitsa
, Nanoscale Res. Lett.
12
, 149
(2017
).42.
T.
Todorov
, L.
Nikolova
, and N.
Tomova
, Appl. Opt.
23
, 4309
(1984
).43.
S.
Lee
, H. S.
Kang
, and J.-K.
Park
, Adv. Mater.
24
, 2069
(2012
).44.
A.
Natansohn
and P.
Rochon
, Chem. Rev.
102
, 4139
(2002
).45.
C.
Manzo
, D.
Paparo
, and L.
Marrucci
, Phys. Rev. E
70
, 051702
(2004
).46.
D.
Bublitz
, B.
Fleck
, and L.
Wenke
, Appl. Phys. B
72
, 931
(2001
).47.
C. J.
Barrett
, P. L.
Rochon
, and A.
Natansohn
, J. Chem. Phys.
109
, 1505
(1998
).48.
K.
Yang
, S.
Yang
, and J.
Kumar
, Phys. Rev. B
73
, 165204
(2006
).49.
J.
Kumar
, L.
Li
, X. L.
Jiang
, D.-Y.
Kim
, T. S.
Lee
, and S.
Tripathy
, Appl. Phys. Lett.
72
, 2096
(1998
).50.
T. G.
Pedersen
, P. M.
Johansen
, N. C. R.
Holme
, P. S.
Ramanujam
, and S.
Hvilsted
, Phys. Rev. Lett.
80
, 89
(1998
).51.
M. L.
Juan
, J.
Plain
, R.
Bachelot
, P.
Royer
, S. K.
Gray
, and G. P.
Wiederrecht
, ACS Nano
3
, 1573
(2009
).52.
B.
Bellini
, J.
Ackermann
, H.
Klein
, Ch.
Grave
, Ph.
Dumas
, and V.
Safarov
, J. Phys.: Condens. Matter
18
, S1817
(2006
).53.
A.
Ambrosio
, P.
Maddalena
, and L.
Marrucci
, Phys. Rev. Lett.
110
, 146102
(2013
).54.
K.
Inoue
, K.
Kawamoto
, and K.
Murase
, J. Non-Cryst. Solids
95-96
, 517
(1987
).55.
G. P.
Lindberg
, T.
O’Loughlin
, N.
Gross
, A.
Mishchenko
, A.
Reznik
, S.
Abbaszadeh
, K. S.
Karim
, G.
Belev
, and B. A.
Weinstein
, J. Appl. Phys.
116
, 193511
(2014
).56.
D. L.
Douglass
, C.
Shing
, and G.
Wang
, Am. Mineral.
77
, 1266
(1992
).57.
P. J. S.
Ewen
and A. E.
Owen
, J. Non-Cryst. Solids
35-36
, 1191
(1980
).58.
M.
Muniz-Miranda
, G.
Sbrana
, P.
Bonazzi
, S.
Menchetti
, and G.
Pratesi
, Spectrochim. Acta, Part A
52
, 1391
(1996
).59.
P.
Bonazzi
, S.
Menchetti
, G.
Pratesi
, M.
Muniz-Miranda
, and G.
Sbrana
, Am. Mineral.
81
, 874
(1996
).60.
P.
Ballirano
and A.
Maras
, Eur. J. Mineral.
18
, 589
(2006
).61.
R.
Holomb
, V.
Mitsa
, P.
Johansson
, N.
Mateleshko
, A.
Matic
, and M.
Veresh
, Chalcogenide Lett.
2
, 63
(2005
).62.
R.
Holomb
, N.
Mateleshko
, V.
Mitsa
, P.
Johansson
, A.
Matic
, and M.
Veres
, J. Non-Cryst. Solids
352
, 1607
(2006
).63.
R.
Holomb
, V.
Mitsa
, O.
Petrachenkov
, M.
Veres
, A.
Stronski
, and M.
Vlček
, Phys. Status Solidi C
8
, 2705
(2011
).64.
A.
Kyono
, M.
Kimata
, and T.
Hatta
, Am. Mineral.
90
, 1563
(2005
).65.
L.
Bindi
, V.
Popova
, and P.
Bonazzi
, Can. Mineral.
41
, 1463
(2003
).66.
O.
Kondrat
, R.
Holomb
, N.
Popovich
, V.
Mitsa
, M.
Veres
, A.
Csik
, A.
Feher
, N.
Tsud
, M.
Vondráček
, V.
Matolín
, and K. C.
Prince
, J. Appl. Phys.
118
, 225307
(2015
).67.
R.
Holomb
and V.
Mitsa
, Solid State Commun.
129
, 655
(2004
).68.
C. D.
Wanger
, W. M.
Riggs
, L. E.
Davis
, J. F.
Moulder
, and G. E.
Muilenberg
, Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy
(Perkin-Elmer Corp., Physical Electronics Division
, Eden Prairie, Minnesota, USA
, 1979
).69.
W.
Lisowski
and E. G.
Keim
, Anal. Bioanal. Chem.
396
, 2797
(2010
).70.
E.
Landemark
, C. J.
Karlsson
, Y.-C.
Chao
, and R. I. G.
Uhrberg
, Phys. Rev. Lett.
69
, 1588
(1992
).71.
J.
Holubová
, Z.
Černošek
, and E.
Černošková
, J. Opt. Adv. Mater.
7
, 2671
(2005
).72.
K.
Petkov
, V.
Krastev
, and Ts.
Marinova
, Surf. Interface Anal.
22
, 202
(1994
).73.
J. J.
Yeh
, Atomic Calculation of Photoionization Cross-Sections and Asymmetry Parameters
(Gordon and Breach Science Publishers
, Langhorne, PE, USA
, 1993
);J. J.
Yeh
and I.
Lindau
, At. Data Nucl. Data Tables
32
, 1
(1985
).74.
75.
M.
Wojdyr
, J. Appl. Cryst.
43
, 1126
(2010
).76.
O.
Kondrat
, N.
Popovich
, R.
Holomb
, V.
Mitsa
, V.
Lyamayev
, N.
Tsud
, V.
Cháb
, V.
Matolín
, and K. C.
Prince
, Thin Solid Films
520
, 7224
(2012
).77.
O.
Kondrat
, N.
Popovich
, R.
Holomb
, V.
Mitsa
, V.
Lyamayev
, N.
Tsud
, V.
Cháb
, V.
Matolín
, and K. C.
Prince
, J. Non-Cryst. Solids
358
, 2910
(2012
).78.
M. J.
Frisch
, G. W.
Trucks
, H. B.
Schlegel
, G. E.
Scuseria
, M. A.
Robb
, J. R.
Cheeseman
, G.
Scalmani
, V.
Barone
, B.
Mennucci
, G. A.
Petersson
, H.
Nakatsuji
, M.
Caricato
, X.
Li
, H. P.
Hratchian
, A. F.
Izmaylov
, J.
Bloino
, G.
Zheng
, J. L.
Sonnenberg
, M.
Hada
, M.
Ehara
, K.
Toyota
, R.
Fukuda
, J.
Hasegawa
, M.
Ishida
, T.
Nakajima
, Y.
Honda
, O.
Kitao
, H.
Nakai
, T.
Vreven
, J. A.
Montgomery
, Jr., J. E.
Peralta
, F.
Ogliaro
, M.
Bearpark
, J. J.
Heyd
, E.
Brothers
, K. N.
Kudin
, V. N.
Staroverov
, R.
Kobayashi
, J.
Normand
, K.
Raghavachari
, A.
Rendell
, J. C.
Burant
, S. S.
Iyengar
, J.
Tomasi
, M.
Cossi
, N.
Rega
, J. M.
Millam
, M.
Klene
, J. E.
Knox
, J. B.
Cross
, V.
Bakken
, C.
Adamo
, J.
Jaramillo
, R.
Gomperts
, R. E.
Stratmann
, O.
Yazyev
, A. J.
Austin
, R.
Cammi
, C.
Pomelli
, J. W.
Ochterski
, R. L.
Martin
, K.
Morokuma
, V. G.
Zakrzewski
, G. A.
Voth
, P.
Salvador
, J. J.
Dannenberg
, S.
Dapprich
, A. D.
Daniels
, O.
Farkas
, J. B.
Foresman
, J. V.
Ortiz
, J.
Cioslowski
, and D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision A.02, Gaussian, Inc.
, Wallingford CT
, 2009
.79.
J. C.
Slater
, Quantum Theory of Molecular and Solids: The Self-Consistent Field for Molecular and Solids
(McGraw-Hill, Inc.
, New York
, 1974
).80.
S. H.
Vosko
, L.
Wilk
, and M.
Nusair
, Can. J. Phys.
58
, 1200
(1980
).81.
D. E.
Woon
and T. H.
Dunning
, Jr., J. Chem. Phys.
98
, 1358
(1993
).82.
A. K.
Wilson
, D. E.
Woon
, K. A.
Peterson
, and T. H.
Dunning
, Jr., J. Chem. Phys.
110
, 7667
(1999
).83.
H. B.
Schlegel
, J. Comput. Chem.
3
, 214
(1982
).84.
C. M.
Breneman
and K. B.
Wiberg
, J. Comput. Chem.
11
, 361
(1990
).85.
86.
A.
Mitsa
, V.
Mitsa
, and A.
Ugrin
, J. Opt. Adv. Mater.
7
, 955
(2005
).87.
A.
Zakery
and S. R.
Elliott
, Optical Nonlinearities in Chalcogenide Glasses and Their Applications
(Springer
, Berlin Heidelberg
, 2007
).88.
K. J.
Rao
and R.
Mohan
, Solid State Commun.
39
, 1065
(1981
).89.
R.
Holomb
, M.
Veres
, and V.
Mitsa
, J. Opt. Adv. Mater.
11
, 917
(2009
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.