Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Electrospray Afzetting van uniforme dikte Ge

7.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/54379

⸱

19 augustus 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Clemson University, 2Department of Materials Science and Engineering, Texas A&M University, 3Department of Electrical and Computer Engineering, Texas A&M University, 4College of Optics and Photonics, Center for Research and Education in Optics and Lasers (CREOL), University of Central Florida, 5Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 6Department of Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute, 7Microphotonics Center, Massachusetts Institute of Technology

In dit artikel

Samenvatting

Een methode voor het afzetten van chalcogenideglasfilms met een uniforme dikte, verkregen uit een oplossing, wordt gedemonstreerd met behulp van computergestuurde numerieke bediening van een elektrospray met een enkele mondstuk.

Samenvatting

-Oplossing op basis elektrospray filmafzetting, die compatibel is met doorlopende, roll-to-roll verwerking wordt toegepast infraroodglas. Twee chalcogenide composities worden gedemonstreerd: Ge 23 Sb 7 S 70 en S 40 60, die beide uitgebreid zijn bestudeerd voor vlakke mid-infrarood (mid-IR) microfotonische apparaten. In deze benadering worden uniforme dikte films gefabriceerd door middel van computer numeriek gestuurde (CNC) beweging. Infraroodglas (CHG) is geschreven over het substraat door een enkel mondstuk langs een kronkelige pad. Films werden onderworpen aan een reeks warmtebehandelingen tussen 100 ° C en 200 ° C onder vacuüm achtergebleven oplosmiddel te verdrijven en verdichten de films. Gebaseerd op overbrenging Fourier transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie en oppervlakteruwheid metingen werden beide samenstellingen geschikt gebleken voor de vervaardiging van vlakke werktuigen die in de regio midden-IR zijn. restoplosmiddelverwijdering bleek veel sneller het Al 40 S 60 film tegenover Ge Sb 23 7 S 70. Gebaseerd op de voordelen van electrospray, wordt direct printen van een gradiënt in de brekingsindex (GRIN) mid-IR transparante coating beoogd, aangezien het verschil in brekingsindex van de twee samenstellingen in deze studie.

Inleiding

Chalcogenide glazen (CHGS) zijn bekend om hun brede infrarood transmissie en ontvankelijkheid voor uniforme dikte, deken film depositie 1-3. On-chip golfgeleiders, resonatoren, en andere optische componenten kunnen dan gevormd uit deze film van lithografische technieken, en daaropvolgende polymeercoating aan microfotonische apparaten 4-5 fabriceren. Een belangrijke toepassing die we proberen te ontwikkelen, is klein, goedkoop, zeer gevoelige chemische sensoren die actief zijn in het midden-infrarood, waar veel biologische soorten hebben optische signaturen 6. Microfotonische chemische sensoren kunnen worden ingezet in ruwe omgevingen, zoals in de buurt van nucleaire reactoren, wanneer de blootstelling aan straling (gamma en alpha) is waarschijnlijk. Derhalve uitgebreid onderzoek naar de wijziging van optische eigenschappen van het CHG-electrospray materialen is kritisch en wordt gerapporteerd in een ander document. In dit artikel wordt electrospray filmafzetting van CHGS vertoonden, aangezien het een methode pas onlangstoegepast CHGS 7.

De bestaande film depositie werkwijzen kunnen worden onderverdeeld in twee klassen: dampafzetting technieken zoals thermische verdamping van bulk CHG doelen en-oplossing afgeleide technieken, bijvoorbeeld door spin-coaten van een oplossing van CHG opgelost in een amine oplosmiddel. Algemeen-oplossing verkregen films hebben de neiging te leiden tot groter verlies van het lichtsignaal door de aanwezigheid van achtergebleven oplosmiddel in de film matrix 3, maar een uniek voordeel van oplossing afgeleide technieken via dampafzetting is het eenvoudig opnemen van nanodeeltjes (bijvoorbeeld quantum dots of QD) voorafgaand aan spin-coating 8-10. Echter aggregatie van nanodeeltjes waargenomen bij roterend bedekken films 10. Bovendien, terwijl opdampen en spin-coating methoden zijn goed geschikt voor de vorming van uniforme dikte, deken films, ze niet lenen zich goed gelokaliseerde afzettingen of gemodificeerde niet-uniforme dikte films. Furthermore, opschaling van spin-coating is moeilijk vanwege hoge materiaalverspilling door afstroming van het substraat, en omdat het geen continu proces 11.

Om enkele van de beperkingen van de huidige CHG filmafzettechnieken overwinnen, hebben wij de toepassing van electrospray het CHG materiaalsysteem onderzocht. Bij deze werkwijze kan een aerosol nevel te vormen van het CHG-oplossing door een hoog voltage elektrische veld 7. Omdat het een continu proces dat compatibel is met roll-to-roll processing, bijna 100% gebruik van het materiaal mogelijk, hetgeen een voordeel ten opzichte van spin-coating. Daarnaast hebben we voorgesteld dat isolatie van afzonderlijke QD in de afzonderlijke CHG aërosoldruppeltjes kan leiden tot betere QD dispersie door de geladen druppeltjes ruimtelijk zichzelf dispergerende door Coulomb afstoting, in combinatie met de snellere droging kinetiek van de grote oppervlakte druppeltjes dat de beweging van QDs die worden veroorzaakt door deverhogen de viscositeit van de druppeltjes tijdens de vlucht 7, 12. Tenslotte gelokaliseerd depositie is een voordeel dat kan worden gebruikt om GRIN coatings fabriceren. Verkenningen van zowel QD oprichting en GRIN fabricage van CHG met elektrospray zijn momenteel aan de gang als een toekomstig artikel in te dienen.

In deze publicatie wordt de flexibiliteit van electrospray aangetoond door gelocaliseerd neerslag en uniforme dikte films. De geschiktheid van de films voor planaire fotonische toepassingen onderzoeken transmissie Fourier transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie, oppervlaktekwaliteit, dikte en brekingsindex gemeten worden gebruikt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Let op: Raadpleeg de veiligheidsinformatiebladen (VIB) bij het werken met deze chemicaliën, en zich bewust zijn van de andere gevaren zoals hoogspanning, mechanische beweging van de depositie systeem, en de hoge temperaturen van de kookplaat en ovens benut.

Let op: Begin dit protocol met bulk chalcogenide glas, dat wordt bereid door bekende smelt-demping technieken 2.

1. Bereiding van CHG Solutions

Opmerking: Twee oplossingen worden gebruikt in deze studie, Ge Sb 23 7 S 70 en S 60 40 Al, beide opgelost in ethanolamine met een concentratie van 0,05 g / ml. De voorbereiding van de twee oplossingen zijn identiek. Voer alle stappen in deze sectie binnen van een zuurkast.

  1. Plet de bulk glas tot een fijn poeder met behulp van een mortier en een stamper.
  2. Meng 0,25 g van het glas met 5 ml ethanolamine oplosmiddel.
  3. Laat 1-2 dagen voor volledige oplossing vanhet glas. Bespoedigen ontbinding door verwarming van de oplossing op een verwarmingsplaat met een oppervlaktetemperatuur van ~ 50-75 ° C. Verhogen de oplossnelheid van het mengsel te roeren, bijvoorbeeld met een magnetische roerstaaf.
  4. Filteroplossing in een flesje met 0,45 urn polytetrafluorethyleen (PTFE) filter om eventuele grote neerslag uit de oplossing te verwijderen.

2. Instellen van de afzetting

Noot: De electrospray afzetting wordt schematisch weergegeven in figuur 1 In deze werkwijze wordt een 50 pi glazen injectiespuit met PTFE getipt zuiger gebruikt.. De injectiespuit verwisselbare naald stijl met een kegel omgestoten, 22 gauge naald buitendiameter (0,72 mm uitwendige diameter, 0,17 mm inwendige diameter), en is verbonden met de verticaal georiënteerde spuitpomp van het electrospray systeem. Het electrospray systeem wordt blootgesteld aan omgevingsatmosfeer in deze eerste experimenten, maar het systeem is opstelling binnen van een glovebox. Het systeem moet set-up op een plaats waar het is geïsoleerd van de gebruiker, zoals een zuurkast.

  1. Het uiteinde van de naald in de oplossing Chg. Zuig de oplossing in de spuit door de spuit pomp extract modus bij een lage snelheid, bijvoorbeeld 150 gl / uur, om de vorming van bellen te voorkomen.
  2. Stel de werkafstand (10 mm in dit geval) tussen het uiteinde van het mondstuk en de top van het Si-substraat met de CNC in handbedrijf modus. Plaats het Si-substraat, wat niet gedoteerd en een soortelijke weerstand heeft van 10.000 ohm-cm, op een aluminiumplaat verbonden met de voedingseenheid aarde retourelektrode.
  3. Sta een klein volume vloeistof het bekleden van de buitenkant van het mondstuk door intrekking wat vloeistof uit de injectiespuit gebruik van de spuitpomp. Zet kookplaat op bij een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 75-100 ° C. Wacht ~ 2 uur een glasfolie laten drogen op de inktsproeiers. Deze coating bevordert de stabiliteit van de spray.

3. Electrospray DepositionCHG Films

  1. Sluit de gelijkstroom (DC) voeding naar de injector een elektrisch clip.
  2. Stel stroomsnelheid op 10 pl / uur, en stem gelijkspanning om een ​​stabiele Taylor kegel vormen (~ 4 kV bij 10 mm werkafstand). Bekijk de spray met een hoge vergroting camera.
  3. Start CNC beweging van de spray op het substraat te deponeren film, nadat de spray stabiel.
    1. Gebruik een kronkelend pad voor een uniforme dikte of eendimensionale (1-D) geeft een lineaire dikteprofiel.
    2. Gebruik passeert een afstand langer is dan de breedte van het substraat, zodat de spray bewegingen volledig uit het substraat alvorens de volgende snede. Dit wordt gedaan zodat de stroomsnelheid van vloeistof op elke punt van het substraat.
    3. Controle van de CNC met behulp LinuxCNC software. Voor een voorbeeld, gebruik maken van de aanvullende G-code voor een kronkelige weg met 0,5 mm verschuiving tussen passes, snelheid van 20 mm / min, en 30 mm lengte van de passen. Figuur 1 toont een schema van een film gemaakt met de kronkelige pad en definieert het coördinatensysteem ook.
  4. Het aldus afgezette film een ​​reeks warmtebehandelingen onder vacuüm gedurende 1 uur elk bij 100, 125, 150 en 175 ° C en 16 uur bij 200 ° C. Een optimalisatie van de warmtebehandeling parameters wordt gepresenteerd in de representatieve resultaten sectie van dit artikel.

4. Karakterisering van het CHG-Films

  1. Karakterisering van achtergebleven oplosmiddel Removal
    1. Neem een ​​transmissie FTIR spectrum periodiek gedurende de hybridisatie omstandigheden meten dezelfde locatie op het monster telkens. Teken de omtrek van het substraat op het monster podium, en plaats het binnen dit overzicht elke keer dat een meting wordt uitgevoerd.
      1. In de FTIR software, klikt u op 'Experiment Setup "en typ het aantal scans als 64. Klik op het tabblad' Bank 'en typ in de scan bereik als 7000 cm -1 tot 500 cm -1. Neem een achtergrond scan met alleen het monster etappe in het instrument door te klikken op "Verzamel Achtergrond." Plaats vervolgens het monster op het podium, en klik op "Collect Sample" om het spectrum van het monster te nemen.
    2. De verwijdering van oplosmiddel volgen, de mogelijke omvang van de biologische absorptie in de film matrix. In de FTIR software, trek een uitgangswaarde in het spectrum van belang, ongeveer 2,300-3,600 cm -1. De software berekent de oppervlakte onder de transmissie spectrum van het monster ten opzichte van de door de gebruiker aangewezen basislijn.
  2. Meting van de laagdikte
    1. Krassen op de film met fijne punt pincet, totdat de donkere ondergrond zichtbaar onder de lichter gekleurde film, die meestal optreedt in één krabben beweging met lichte druk wordt. Verwijder puin veroorzaakt door het krabben met samengeperste stikstof.
      1. Meet de dikte van de deken films met behulp van een contact profilometerde instaphoogte bepalen van film aan substraat. Open "Measurement Setup," en typ in scansnelheid van 0,1 mm / sec, en scan lengte van 500 pm.
      2. Het monster op het podium, het lokaliseren van de kras en draaien het monster zodanig dat de kras is georiënteerd in de links-rechts richting. Verplaats het podium, zodat de cross-haren zijn net onder de scratch, en beginnen met het oppervlak scan door te klikken op "Measurement."
      3. Als de scan is voltooid, sleept de R en M cursors zodat ze beiden op het filmoppervlak en klik "Level Two Linear Point" naar het oppervlakteprofiel niveau. Verplaats een cursor naar de onderkant van de scratch, en noteer de afstand tussen de positie van de cursor in de y-dimensie. Meet dikte op verschillende plaatsen een gemiddelde dikte en variantie in de gegevens.
    2. Bepaal de dikte profielen van de niet-uniforme dikte films door het scannen van de profilometer over de gehele film (loodrecht op de 1-D Beweging gebruikt om de film te deponeren), en deze oppervlakteprofiel een grafiek van de filmdikte versus positie die.
      1. Scannen over de gehele film activeren door een geschikte scan lengte groter dan de breedte van de film, gewoonlijk 10-20 mm, in "meetopstelling." Plaats het dradenkruis op ongecoat substraat aan één zijde van de film en klik "Measurement," waardoor de profilometer de scan op ongecoat substraat vullen aan de andere zijde van de film. Klik met de rechtermuisknop op het oppervlak profiel en exporteren als een CSV-bestand.
      2. Als alternatief, als de ondergrond is niet vlak genoeg is om betrouwbare gegevens te verkrijgen dikte, krassen op de film tot aan de ondergrond met ongeveer 1 mm tussen krassen, en scan profilometer over het hele film. Noteer de dikte en de horizontale positie bij elke kras, en maak een grafiek van de laagdikte vs. positie van deze gegevens punten.
  3. Meet oppervlakteruwheid met een wit licht interferometer13. Stel de focus en fase kantelen naar interferentiestrepen over het gehele meetgebied, in dit geval was 414 urn x 414 urn met de 5x doelstelling genereren. Neem vijf metingen over een uniforme laagdikte van de gemiddelde ruwheid en de variantie van de gegevens te bepalen.
  4. Meet de brekingsindex een ellipsometer 14 in het gebied van 600-1,700 nm golflengte. In dit geval een invalshoek van 60 °, en de focus van de bundel een puntgrootte van 35 urn.
    1. Neem een ​​meting op het ongecoate substraat, het aanbrengen van de gegevens aan de dikte van de natuurlijke oxidelaag bepalen. Gebruik deze informatie om het monster als een drie lagen systeem modelleren: Si wafer + natuurlijke oxide + afgezette film. Neem acht metingen op verschillende locaties op het monster op de gemiddelde brekingsindex en variantie te bepalen, bij gebruik van de Cauchy model om de gegevens te passen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Een schematische weergave van het kronkelend pad gebruikt om uniforme dikte films met enkele spuitmond elektrospray verkrijgen is weergegeven in figuur 2. Figuur 3 toont een voorbeeld transmissie FTIR-spectrum van een gedeeltelijk uitgeharde Al 40 S 60 film gemaakt met kronkelige beweging van de spray, zoals en het spectrum van zuiver ethanolamine oplosmiddel. Uit de informatie die kan worden verkregen uit de FTIR spectra zoals geto...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Aan het begin van een gelijkmatige dikte, afgezet met kronkelige beweging van de spray opzichte van het substraat, wordt de filmdikte profiel verhogen. Zodra de afstand in de y-richting groter is dan de diameter van de spuit (bij aankomst op het substraat), het debiet wordt ongeveer equivalent voor elk punt op het substraat, en de dikte uniformering wordt. Om de geschikte afzettingsparameters gelijkblijvende dikte electrospray film, theoretische filmdikte T bepalen, wordt gebruikt. Deze wordt gegeven door Vergelijking 1...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Financiering voor dit werk werd verstrekt door Defense Threat Reduction Agency contracten HDTRA1-10-1-0073: HDTRA1-13-1-0001.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
EthanolamineSigma-Aldrich411000-100ML99,5% zuiverheid
Si waferUniversity Wafer1708Dubbelzijdig gepolijst, niet-gelegeerd
SpuitSigma-Aldrich20788Hamilton 700 serie, 50 microliter volume
SpuitpompChemyxNanojet
CNC freesmachineMIB instrumentsCNC 3020
VoedingAcopianP015HP4AC-DC voeding, 15 kV, 4 mA

Referenties

  1. Novak, J., et al. Evolution of the structure and properties of solution-based Ge23Sb7S70 thin films during heat treatment. Mat. Res. Bull. 48, 1250-1255 (2013).
  2. Musgraves, J. D., et al. Comparison of the optical, thermal and structural properties of Ge-Sb-S thin films deposited using thermal evaporation and pulsed laser deposition techniques. Acta Materiala. 59, 5032-5039 (2011).
  3. Zha, Y., Waldmann, M., Arnold, C. B. A review on solution processing of chalcogenide glasses for optical components. Opt. Mat. Exp. 3 (9), 1259-1272 (2013).
  4. Chiles, J., et al. Low-loss, submicron chalcogenide integrated photonics with chlorine plasma etching. Appl. Phys. Lett. 106, 11110(2015).
  5. Hu, J., et al. Demonstration of chalcogenide glass racetrack microresonators. Opt. Lett. 38 (8), 761-763 (2008).
  6. Singh, V., et al. Mid-infrared materials and devices on a Si platform for optical sensing. Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 014603(2014).
  7. Novak, S., Johnston, D. E., Li, C., Deng, W., Richardson, K. Deposition of Ge23Sb7S70 chalcogenide glass films by electrospray. Thin Solid Films. 588, 56-60 (2015).
  8. Kovalenko, M. V., Schaller, R. D., Jarzab, D., Loi, M. A., Talapin, D. V. Inorganically functionalized PbS-CdS colloidal nanocrystals: integration into amorphous chalcogenide glass and luminescent properties. J. Am. Chem. Soc. 134, 2457-2460 (2012).
  9. Novak, S., et al. Incorporation of luminescent CdSe/ZnS core-shell quantum dots and PbS quantum dots into solution-derived chalcogenide glass films. Opt. Mat. Exp. 3 (6), 729-738 (2013).
  10. Lu, C., Almeida, J. M. P., Yao, N., Arnold, C. Fabrication of uniformly dispersed nanoparticle-doped chalcogenide glass. Appl. Phys. Lett. 105, 261906(2014).
  11. Zhao, X. -Y., et al. Enhancement of the performance of organic solar cells by electrospray deposition with optimal solvent system. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 121, 119-125 (2014).
  12. Novak, S. Electrospray deposition of chalcogenide glass films for gradient refractive index and quantum dot incorporation [dissertation]. , Clemson University. (2015).
  13. Tolansky, S. New contributions to interferometry, with applications to crystal studies. J. Sci. Instrum. 22 (9), 161-167 (1945).
  14. Archer, R. J. Determination of the properties of films on silicon by the method of ellipsometry. J. Opt. Soc. Am. 52 (9), 970-977 (1962).
  15. Hu, J., et al. Optical loss reduction in high-index-contrast chalcogenide glass waveguides via thermal reflow. Opt. Exp. 18 (2), 1469-1478 (2010).
  16. Hu, J., et al. Exploration of waveguide fabrications from thermally evaporated Ge-Sb-S glass films. Opt. Mater. 30, 1560-1566 (2008).
  17. Song, S., Dua, J., Arnold, C. B. Influence of annealing conditions on the optical and structural properties of spin-coated As2S3 chalcogenide glass thin films. Opt. Exp. 18 (6), 5472-5480 (2010).
  18. Deng, W., Klemic, J. F., Li, X., Reed, M. A., Gomez, A. Increase of electrospray throughput using multiplexed microfabricated sources for the scalable generation of monodisperse droplets. J. Aerosol. Sci. 37 (6), 696-714 (2006).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

CNC-bewegingsbesturingFTIR-spectroscopieoppervlakteruwheidsmetingvacuümwarmtebehandelingbrekingsindexprofileringmid-infraroodfotonicafilms met uniforme diktegradiëntbrekingsindex
Electrospray Afzetting van uniforme dikte Ge
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.