Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Osadzanie elektronatryskowe o jednolitej grubości Ge23Sb7S70 i As40S60 Folie ze szkła chalkogenkowego

7.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54379

⸱

19 sierpnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

Metoda osadzania warstwy szkła chalkogenkowego o jednolitej grubości pochodzącej z roztworu jest demonstrowana przy użyciu komputerowo sterowanego numerycznie ruchu elektrosprayu z pojedynczą dyszą.

Streszczenie

Do szkieł chalkogenkowych stosuje się osadzanie folii elektronatryskowe na podstawie roztworu, które jest kompatybilne z ciągłym przetwarzaniem z rolki na rolkę. Wykazano dwa składy chalkogenków: Ge23Sb7S70 i As40S60, które były szeroko badane pod kątem płaskich urządzeń mikrofotonicznych w średniej podczerwieni (średniej podczerwieni). W tym podejściu folie o jednolitej grubości są wytwarzane za pomocą ruchu sterowanego numerycznie (CNC). Szkło chalkogenkowe (ChG) jest nanoszone na podłoże za pomocą pojedynczej dyszy wzdłuż serpentynowej ścieżki. Folie poddano serii obróbki cieplnej w temperaturze od 100 °C do 200 °C w próżni w celu usunięcia resztek rozpuszczalnika i zagęszczenia folii. Na podstawie spektroskopii transmisyjnej w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) i pomiarów chropowatości powierzchni, stwierdzono, że oba kompozycje nadają się do wytwarzania urządzeń planarnych działających w zakresie średniej podczerwieni. Stwierdzono, że usuwanie pozostałości rozpuszczalnika jest znacznie szybsze w przypadku folii As40S60 w porównaniu z Ge23Sb7S70. Opierając się na zaletach elektronatryskiwania, przewiduje się bezpośrednie drukowanie przezroczystej powłoki średniej podczerwieni z gradientowym współczynnikiem załamania światła (GRIN), biorąc pod uwagę różnicę w współczynniku załamania światła obu kompozycji w tym badaniu.

Wprowadzenie

Szkła chalkogenkowe (ChG) są dobrze znane ze swojej szerokiej transmisji w podczerwieni i możliwości dostosowania do jednolitej grubości, osadzanie warstwy kocowej 1-3. Falowody, rezonatory i inne elementy optyczne w układzie scalonym można następnie uformować z tej warstwy za pomocą technik litografii, a następnie powłoki polimerowej w celu wytworzenia urządzeń mikrofotonicznych 4-5. Jednym z kluczowych zastosowań, które staramy się rozwijać, są małe, niedrogie, bardzo czułe czujniki chemiczne działające w średniej podczerwieni, gdzie wiele gatunków organicznych ma sygnatury optyczne 6. Mikrofotoniczne czujniki chemiczne mogą być stosowane w trudnych warunkach, takich jak w pobliżu reaktorów jądrowych, gdzie prawdopodobne jest narażenie na promieniowanie (gamma i alfa). W związku z tym szeroko zakrojone badania nad modyfikacją właściwości optycznych materiałów elektrorozpylanych ChG mają kluczowe znaczenie i zostaną przedstawione w innym artykule. W tym artykule przedstawiono osadzanie ChG w warstwie elektrorozpylania, ponieważ jest to metoda dopiero niedawno zastosowana do ChG 7.

Istniejące metody osadzania filmu można podzielić na dwie klasy: techniki osadzania z fazy gazowej, takie jak termiczne odparowywanie masowych celów ChG, oraz techniki pochodzące od roztworu, takie jak powlekanie wirowe roztworu ChG rozpuszczonego w rozpuszczalniku aminowym. Ogólnie rzecz biorąc, folie pochodzące z roztworu mają tendencję do powodowania większych strat sygnału świetlnego ze względu na obecność resztkowego rozpuszczalnika w matrycy filmu 3, ale wyjątkową przewagą technik pochodnych roztworu nad osadzaniem z fazy gazowej jest proste włączenie nanocząstek (np. kropek kwantowych lub QD) przed powlekaniem spinowym 8-10. Jednak agregację nanocząstek zaobserwowano w foliach powlekanych spinowo 10. Ponadto, podczas gdy metody osadzania z fazy gazowej i powlekania wirowego dobrze nadają się do tworzenia folii kocowych o jednolitej grubości, nie nadają się one dobrze do miejscowego osadzania lub konstruowania warstw o niejednolitej grubości. Ponadto zwiększenie skali powlekania wirowego jest trudne ze względu na dużą ilość odpadów materiałowych spowodowanych spływaniem z podłoża oraz ze względu na to, że nie jest to proces ciągły 11.

Aby przezwyciężyć niektóre ograniczenia obecnych technik osadzania folii ChG, zbadaliśmy zastosowanie elektrosprayu do systemu materiałów ChG. W tym procesie z roztworu ChG można utworzyć aerozol poprzez zastosowanie pola elektrycznego o wysokim napięciu 7. Ponieważ jest to proces ciągły, który jest kompatybilny z przetwarzaniem typu roll-to-roll, możliwe jest prawie 100% wykorzystanie materiału, co jest zaletą w porównaniu z powlekaniem wirowym. Ponadto zaproponowaliśmy, że izolacja pojedynczych QD w pojedynczych kropelkach aerozolu ChG może prowadzić do lepszej dyspersji QD, ze względu na to, że naładowane kropelki są przestrzennie samodyspersyjne przez odpychanie kulombowskie, w połączeniu z szybszą kinetyką schnięcia kropel o dużej powierzchni, które minimalizują ruch QD ze względu na rosnącą lepkość kropel podczas lotu 7, 12. Wreszcie, miejscowe osadzanie jest zaletą, którą można wykorzystać do wytwarzania powłok GRIN. Badania zarówno nad włączeniem QD, jak i wytwarzaniem GRIN ChG za pomocą elektrorozpylania są obecnie w toku, które zostaną przedłożone jako przyszły artykuł.

W tej publikacji elastyczność elektrorozpylania jest demonstrowana zarówno przez miejscowe osadzanie, jak i folie o jednolitej grubości. Aby zbadać przydatność filmów do płaskich zastosowań fotonicznych, wykorzystuje się transmisyjną spektroskopię w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), pomiary jakości powierzchni, grubości i indeksu załamania światła.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Proszę zapoznać się z Kartami Charakterystyki Substancji Niebezpiecznej (MSDS) podczas pracy z tymi chemikaliami i być świadomym innych zagrożeń, takich jak wysokie napięcie, ruch mechaniczny systemu osadzania oraz wysokie temperatury używanej płyty grzewczej i pieców.

Uwaga: Rozpocznij ten protokół od szkła chalkogenkowego luzem, które jest przygotowywane za pomocą dobrze znanych technik topnienia i hartowania 2.

1. Przygotowanie roztworów ChG

Uwaga: W tym badaniu stosuje się dwa roztwory, Ge23Sb7S70 i As40S60, oba rozpuszczone w etanoloaminie w stężeniu 0,05 g / ml. Przygotowanie tych dwóch roztworów jest identyczne. Wykonaj wszystkie czynności opisane w tej sekcji wewnątrz dygestorium.

  1. Zmiażdż szklankę luzem na drobny proszek za pomocą moździerza i tłuczka.
  2. Wymieszać 0,25 g szklanki z 5 ml rozpuszczalnika etanoloaminy.
  3. Odczekaj 1-2 dni do całkowitego rozpuszczenia szkła. Przyspiesz rozpuszczanie, podgrzewając roztwór na płycie grzejnej o temperaturze powierzchni ~50-75 °C. Zwiększ szybkość rozpuszczania, mieszając mieszaninę, na przykład za pomocą mieszadła magnetycznego.
  4. Przefiltrować roztwór do fiolki z filtrem z politetrafluoroetylenu (PTFE) 0,45 μm, aby usunąć wszelkie duże osady z roztworu.

2. Konfiguracja procesu osadzania

Uwaga: System osadzania elektronatryskiem jest przedstawiony schematycznie na rysunku 1. W tym procesie wykorzystywana jest szklana strzykawka o pojemności 50 μl z tłokiem zakończonym PTFE. Strzykawka jest wyjmowaną igłą z igłą o średnicy zewnętrznej 22 mm (średnica zewnętrzna 0,72 mm, średnica wewnętrzna 0,17 mm) i jest podłączona do pionowo zorientowanej pompy strzykawkowej systemu elektrorozpylania. W tych początkowych eksperymentach system elektrorozpylania jest wystawiony na działanie atmosfery otoczenia, chociaż system jest umieszczony wewnątrz komory rękawicowej. System powinien być ustawiony w miejscu, w którym jest odizolowany od użytkownika, takim jak wyciąg.

  1. Umieścić koniec igły w roztworze ChG. Wciągnąć roztwór do strzykawki, ustawiając pompę strzykawkową w trybie ekstrakcji z małą prędkością, np. 150 μl/h, aby zapobiec tworzeniu się pęcherzyków.
  2. Ustaw odległość roboczą (w tym przypadku 10 mm) między końcem dyszy a górną częścią podłoża Si za pomocą CNC w trybie ruchu ręcznego. Umieść podłoże Si, które jest nieoczyszczone i ma rezystywność 10 000 Ohm-cm, na aluminiowej płycie podłączonej do powrotu uziemienia zasilacza.
  3. Pozwolić, aby niewielka objętość płynu pokryła zewnętrzną powierzchnię dyszy, dozując trochę płynu ze strzykawki za pomocą pompy strzykawkowej. Włącz płytę grzejną przy temperaturze powierzchni około 75-100 °C. Odczekaj ~2 godziny, aby warstwa szkła wyschła na powierzchni dyszy. Powłoka ta zwiększa stabilność sprayu.

3. Osadzanie elektronatryskowe folii ChG

  1. Podłącz zasilanie prądem stałym (DC) do dyszy strzykawki za pomocą klipsa elektrycznego.
  2. Ustaw natężenie przepływu na 10 μl/h i dostosuj napięcie DC, aby utworzyć stabilny stożek Taylora (~4 kV przy odległości roboczej 10 mm). Zobacz spray za pomocą kamery o dużym powiększeniu.
  3. Rozpocznij ruch CNC natrysku po podłożu, aby nałożyć folię, gdy spray jest stabilny.
    1. Użyj ścieżki serpentynowej w celu uzyskania jednolitej grubości lub przejść jednowymiarowych (1-W) w celu uzyskania liniowego profilu grubości.
    2. Stosować przejścia w odległości większej niż szerokość podłoża, tak aby spray całkowicie odsunął się od podłoża przed wykonaniem następnego przejścia. Odbywa się to tak, aby natężenie przepływu cieczy było takie samo w każdym punkcie podłoża.
    3. Steruj CNC za pomocą oprogramowania LinuxCNC. Na przykład użyj dodatkowego kodu G dla ścieżki serpentynowej z przesunięciem 0,5 mm między przejściami, prędkością 20 mm/min i długością przejść 30 mm. Rysunek 1 przedstawia schemat filmu wykonanego ze ścieżką serpentyny, a także definiuje układ współrzędnych.
  4. Nałożoną folię należy poddać serii obróbki cieplnej w próżni przez 1 godzinę w temperaturze 100, 125, 150 i 175 °C oraz 16 godzin w temperaturze 200 °C. Optymalizacja parametrów obróbki cieplnej została przedstawiona w sekcji Reprezentatywne wyniki niniejszego artykułu.

4. Charakterystyka filmów ChG

  1. Charakterystyka usuwania pozostałości rozpuszczalnika
    1. Okresowo wykonuj transmisyjne widmo FTIR w warunkach wyżarzania, mierząc za każdym razem to samo miejsce na próbce. Narysuj kontur podłoża na stoliku na próbkę i umieść go w tym konturze za każdym razem, gdy wykonywany jest pomiar.
      1. W oprogramowaniu FTIR kliknij "Konfiguracja eksperymentu" i wpisz liczbę skanów jako 64. Kliknij zakładkę "Ławka" i wpisz zakres skanowania od 7 000 cm-1 do 500 cm-1. Wykonaj skanowanie tła za pomocą tylko stolika na próbkę w instrumencie, klikając "Zbierz tło". Następnie umieść próbkę na stoliku i kliknij "Zbierz próbkę", aby pobrać widmo próbki.
    2. Aby śledzić usuwanie rozpuszczalnika, oszacuj wielkość absorpcji organicznych w matrycy filmu. W oprogramowaniu FTIR narysuj linię bazową w zakresie widmowym zainteresowania, około 2,300-3,600 cm-1. Oprogramowanie oblicza obszar znajdujący się pod widmem transmisji próbki w stosunku do linii bazowej wyznaczonej przez użytkownika.
  2. Pomiar grubości folii
    1. Zdrap folię cienką pęsetą, aż ciemne podłoże stanie się widoczne wśród jaśniejszej folii, co zwykle następuje jednym ruchem drapania z lekkim naciskiem. Usuń zanieczyszczenia spowodowane zarysowaniem sprężonym azotem.
      1. Zmierz grubość folii kocowych za pomocą profilometru kontaktowego, aby określić wysokość stopnia od folii do podłoża. Otwórz "Ustawienia pomiaru" i wpisz szybkość skanowania 0,1 mm/s i długość skanowania 500 μm.
      2. Umieść próbkę na stoliku, lokalizując rysę i obracając próbkę tak, aby rysa była zorientowana w kierunku od lewej do prawej. Przesuń stolik tak, aby krzyżyk znajdował się tuż pod rysą i rozpocznij skanowanie powierzchni, klikając "Pomiar".
      3. Po zakończeniu skanowania przeciągnij kursory R i M tak, aby znalazły się na powierzchni filmu, a następnie kliknij "Poziom dwupunktowy liniowy", aby wyrównać profil powierzchni. Przesuń jeden kursor na dół rysy i zapisz odległość między pozycjami każdego kursora w wymiarze y. Zmierz grubość w wielu lokalizacjach, aby uzyskać średnią grubość i wariancję danych.
    2. Określ profile grubości folii o niejednolitej grubości, skanując profilometr na całej folii (prostopadle do ruchu 1D używanego do nałożenia folii) i użyj tego profilu powierzchni do utworzenia wykresu grubości folii w funkcji położenia.
      1. Skanuj całą folię, wprowadzając odpowiednią długość skanowania większą niż szerokość filmu, zwykle 10-20 mm, w "Ustawieniach pomiaru". Umieść krzyżyk nitkowy na niepowlekanym podłożu po jednej stronie folii i kliknij "Pomiar", pozwalając profilometrowi zakończyć skanowanie na niepowlekanym podłożu po drugiej stronie folii. Kliknij prawym przyciskiem myszy profil powierzchni i wyeksportuj jako plik .csv.
      2. Alternatywnie, jeśli podłoże nie jest wystarczająco płaskie, aby uzyskać wiarygodne dane dotyczące grubości, zarysuj folię aż do podłoża z zachowaniem około 1 mm między rysami i zeskanuj profilometr na całej folii. Zapisz grubość i pozycję poziomą przy każdym zadrapaniu, a następnie utwórz wykres grubości folii w funkcji pozycji na podstawie tych punktów danych.
  3. Zmierz chropowatość powierzchni za pomocą interferometru światła białego 13. Dostosuj ostrość i nachylenie stolika, aby wygenerować prążki interferencyjne na całym obszarze pomiaru, który w tym przypadku wynosił 414 μm x 414 μm przy użyciu obiektywu 5x. Wykonaj pięć pomiarów na folii o jednolitej grubości, aby określić średnią chropowatość i wariancję danych.
  4. Zmierz współczynnik załamania światła za pomocą elipsometru 14 w zakresie długości fali 600-1 700 nm. W takim przypadku należy użyć kąta padania 60° i skupić wiązkę na rozmiarze plamki 35 μm.
    1. Wykonaj pomiar na niepowlekanym podłożu, dopasowując dane w celu określenia grubości natywnej warstwy tlenku. Skorzystaj z tych informacji, aby zamodelować próbkę jako system trójwarstwowy: wafel krzemowy + tlenek natywny + osadzona folia. Wykonaj osiem pomiarów w różnych miejscach próbki, aby określić średni indeks refrakcji i wariancję, korzystając z modelu Cauchy'ego w celu dopasowania danych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Schematyczną reprezentację ścieżki serpentynowej wykorzystywanej do otrzymywania filmów o jednolitej grubości za pomocą elektrosprayu z jedną dyszą przedstawiono na Rysunku 2. Rysunek 3 pokazuje przykładowe widmo FTIR w transmisji częściowo utwardzonego filmu As40S60 wykonanego przy ruchu serpentynowym natrysku, a także widmo czystego rozpuszczalnika, etanolaminy. Na podstawie informacji, jakie można uzyskać z widm FTIR, takich jak n...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Na początku procesu osadzania filmu o jednorodnej grubości przy zastosowaniu ruchu serpentynowego dyszy względem podłoża, profil grubości filmu wzrasta. Gdy dystans pokonany w kierunku y przekroczy średnicę strumienia rozpylania (w momencie dotarcia do podłoża), szybkość przepływu staje się w przybliżeniu równa dla każdego punktu na podłożu, co pozwala na uzyskanie jednorodności grubości. Aby określić odpowiednie parametry osadzania filmu o jednorodnej grubości metodą elektrosprayu, wykorzystuje się teoretyczną grubość f...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Finansowanie tej pracy zostało zapewnione przez Defense Threat Reduction Agency kontrakty HDTRA1-10-1-0073: HDTRA1-13-1-0001.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
EtanoloaminaSigma-Aldrich411000-100ML99,5% czystości
Wafel SiUniversity Wafer1708Dwustronnie polerowana, nieoszlifowana
strzykawkaSigma-Aldrich20788Hamilton 700 series, objętość 50 mikrolitrów
Pompa strzykawkowaChemyxNanojet
Frezarka CNCInstrumenty MIBCNC 3020
ZasilanieAcopianP015HP4zasilacz AC-DC, 15 kV, 4 mA

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Sterowanie ruchem CNCspektroskopia FTIRpomiar chropowatości powierzchnipróżniowa obróbka cieplnaprofilowanie współczynnika załamania światłafotonika średniej podczerwienifilmy o jednorodnej grubościgradientowy współczynnik załamania światła
Osadzanie elektronatryskowe o jednolitej grubości Ge23Sb7S70 i As40S60 Folie ze szkła chalkogenkowego
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.