Um método de deposição de filme de vidro calcogeneto derivado de solução de espessura uniforme é demonstrado usando movimento controlado numérico computadorizado de um eletrospray de bico único.
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Artigo de método
Electrospray Deposição de espessura uniforme, Ge
Neste artigo
Resumo
Resumo
-Solução baseada deposição de filmes por electropulverização, que é compatível com o processamento contínuo, rolo a rolo, é aplicado aos vidros calcogenetos. Duas composições calcogenetos são demonstradas: Ge 23 Sb 7 S 70 e 40 S 60, que ambos têm sido estudados extensivamente para infravermelho médio (mid-IR) dispositivos microphotonic planares. Nesta abordagem, os filmes espessura uniforme são fabricados através da utilização de movimento controlado computador numérico (CNC). vidro Chalcogenide (CHG) está escrito sobre o substrato por um único bocal ao longo de um caminho sinuoso. As películas foram submetidas a uma série de tratamentos térmicos entre 100 ° C e 200 ° C sob vácuo para eliminar solvente residual e densificar os filmes. Com base na transmissão de Fourier transformar espectroscopia de infravermelho (FTIR) e medições de aspereza de superfície, ambas as composições foram encontrados como sendo adequados para o fabrico de elementos planares operam na região do meio-IR. O solvente residualremoção verificou-se ser muito mais rápida do filme Como 40 s 60, em comparação com 23 Ge Sb 7 S 70. Com base nas vantagens de electropulverização, impressão directa de um revestimento transparente do índice de refracção (GRIN) mid-IV gradiente é visionado, dada a diferença de índice de refracção das duas composições neste estudo.
Introdução
Vidros chalcogenide (ChGs) são bem conhecidos por sua ampla transmissão infravermelha e receptividade ao espessura uniforme, deposição de filmes cobertor 1-3. Guias de onda on-chip, ressonadores, e outros componentes ópticos podem, então, ser formada a partir desta película por técnicas de litografia, e depois subsequente revestimento de polímero para fabricar dispositivos microphotonic 4-5. Uma aplicação chave que procuramos desenvolver é dispositivos pequenos e de baixo custo, altamente sensíveis sensores químicos que operam no mid-IR, onde muitas espécies orgânicas têm assinaturas ópticas 6. sensores químicos Microphotonic pode ser implantado em ambientes agressivos, como perto de reatores nucleares, onde a exposição à radiação (gama e alfa) é provável. Assim, um extenso estudo sobre a modificação das propriedades ópticas dos materiais electrospray CHG é crítica e será relatado em outro papel. Neste artigo, deposição de filmes de electrospray de ChGs é exibido, uma vez que é um método só recentementeaplicada a ChGs 7.
Os métodos de deposição de filmes existentes podem ser classificadas em duas classes: as técnicas de deposição de vapor, tais como evaporação térmica de alvos CHG grandes quantidades, e técnicas derivadas de solução, tais como por spin-coating uma solução de CHG dissolvido num solvente de amina. Geralmente, os filmes derivados de soluções tendem a resultar em maior perda do sinal de luz, devido à presença de solvente residual na matriz do filme 3, mas uma vantagem única de técnicas derivadas da solução durante a deposição de vapor é a simples incorporação de nanopartículas (por exemplo, pontos ou QDs quântica) antes spin-coating 8-10. No entanto, a agregação das nanopartículas tem sido observado em filmes revestidos por rotação 10. Além disso, enquanto que as abordagens de deposição e spin-coating vapor são bem adequadas para a formação de espessura uniforme, filmes de cobertura, que não se prestam bem a deposições localizadas, ou por engenharia películas de espessura não uniforme. Furthermore, scale-up de spin-coating é difícil por causa de resíduos material de alta devido ao run-off a partir do substrato, e porque não é um processo contínuo 11.
A fim de ultrapassar algumas das limitações das técnicas de deposição de filmes actuais CHG, nós investigamos a aplicação de electrospray para o sistema de materiais de CHG. Neste processo, um pulverizador de aerossol pode ser formada a solução de CHG por aplicação de uma alta tensão de campo eléctrico 7. Uma vez que é um processo contínuo, que é compatível com o processamento de rolo-a-rolo, perto de 100% de utilização de material é possível, o que é uma vantagem sobre spin-coating. Além disso, propuseram que o isolamento de QDs individuais nas gotículas CHG aerossol individuais poderia conduzir a uma melhor dispersão QD, devido às gotículas carregadas estar espacialmente auto-dispersante por repulsão de Coulomb, combinada com a cinética de secagem mais rápida das gotículas de área superficial elevada que minimizar o movimento de QDs devido àaumentando a viscosidade das gotículas durante o vôo 7, 12. Finalmente, a deposição localizada é uma vantagem que pode ser utilizado para fabricar revestimentos GRIN. Explorações de ambos incorporação QD e GRIN fabricação de CHG com electrospray estão em andamento para ser apresentado como um artigo futuro.
Nesta publicação, a flexibilidade da electropulverização é demonstrada por ambas as deposições de filmes e localizadas espessura uniforme. Para investigar a adequação dos filmes para aplicações em fotônica planares, a transmissão transformada de Fourier espectroscopia no infravermelho (FTIR), qualidade da superfície, espessura e medições de índice de refração são utilizados.
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Protocolo
Cuidado: Por favor, consulte as Folhas de Dados de Segurança (FDS) quando se trabalha com esses produtos químicos, e estar ciente dos outros riscos, tais como alta tensão, o movimento mecânico do sistema de deposição e altas temperaturas do fogão e fornos utilizados.
Nota: Comece este protocolo com vidro chalcogenide granel, que é preparado por bem conhecidas técnicas de fusão de têmpera 2.
1. Preparação de CHG Solutions
Nota: Duas soluções são utilizados no presente estudo, Ge 23 Sb 7 S 70 e S 40 60, ambos dissolvidos em etanolamina numa concentração de 0,05 g / ml. A preparação das duas soluções são idênticos. Executar todas as etapas desta seção dentro de um exaustor.
- Esmagar o vidro a granel em um pó fino usando um almofariz e pilão.
- Misturar 0,25 g de vidro com 5 ml de solvente de etanolamina.
- Permitir 1-2 dias para a dissolução completa deo copo. Acelera a dissolução por aquecimento da solução numa placa de aquecimento com uma temperatura superficial de ~ 50-75 ° C. Aumentar a taxa de dissolução por agitação da mistura, tal como com uma barra de agitação magnética.
- Filtrar a solução para um frasco com filtro de 0,45 um politetrafluoroetileno (PTFE) para remover quaisquer grandes precipita a partir da solução.
2. Configurando o processo de deposição
Nota: O sistema de deposição de electropulverização está representado esquematicamente na Figura 1 Neste processo, uma seringa de vidro de 50 mL com êmbolo de ponta de PTFE é utilizada.. A seringa é um estilo agulha amovível com uma, agulha de calibre 22 de diâmetro exterior (diâmetro de 0,72 milímetros externa, 0,17 mm de diâmetro interno) com ponta de cone, e está ligado à bomba de seringa orientada verticalmente do sistema de electropulverização. O sistema de electropulverização está exposto à atmosfera do ambiente nestas experiências iniciais, embora o sistema é configurado no interior de uma caixa de luvas. O sistema deve ser SET-se em um local onde ele é isolado a partir do utilizador, tal como um extractor de fumo.
- Colocar a ponta da agulha para dentro da solução CHG. Desenhar a solução para a seringa, definindo a bomba de seringa no modo de extracto a uma velocidade lenta, tal como 150 ul / h, para prevenir a formação de bolhas.
- Definir a distância de trabalho (10 mm neste caso) entre a extremidade do bocal e a parte superior do substrato de Si usando o CNC no modo de movimento manual. Colocar o substrato de Si, o que é não dopado e tem uma resistividade de 10,000 ohm-cm, sobre uma placa de alumínio ligada ao retorno de terra da fonte de alimentação.
- Permitir que um pequeno volume de líquido para revestir a superfície exterior do bocal de distribuição de um líquido a partir da seringa, utilizando a bomba de seringa. Ligue placa de aquecimento a uma temperatura de superfície de cerca de 75-100 ° C. Espera durante ~ 2 h, para permitir uma película de vidro para secar sobre a superfície do bocal. Este revestimento ajuda a estabilidade do pulverizador.
3. Electrospray Depositionde CHG Films
- Ligue a corrente contínua (DC) fonte de alimentação direta com o bico da seringa com um clipe elétrica.
- Ajustar a taxa de fluxo de 10 l / h, e ajustar a tensão DC para formar um cone de Taylor estável (~ 4 kV a 10 mm de distância de trabalho). Ver o spray com uma câmara de alta ampliação.
- Iniciar CNC movimento da pulverização sobre o substrato para depositar filme, uma vez que a pulverização é estável.
- Usar um percurso em serpentina de espessura uniforme, ou unidimensional (1-D) passa para um perfil de espessura linear.
- Uso passa com uma distância maior do que a largura do substrato, de tal modo que os movimentos de pulverização completamente fora do substrato antes de fazer a passagem seguinte. Isto é feito de modo a que o caudal de líquido é a mesma em cada ponto sobre o substrato.
- Controlar o CNC utilizando software LinuxCNC. Por exemplo, usar o código G complementar para um percurso em serpentina com 0,5 mm de deslocamento entre as passagens, velocidade de 20 mm / min, e 30 mm de comprimento das passagens. A Figura 1 mostra um diagrama esquemático de uma película feita com o percurso em serpentina e também define o sistema de coordenadas.
- Submeter o filme depositado a uma série de tratamentos térmicos sob vácuo durante 1 hora cada a 100, 125, 150 e 175 ° C, e 16 h a 200 ° C. Uma otimização dos parâmetros de tratamento térmico é apresentado na seção Resultados representativos deste artigo.
4. Caracterização dos Films CHG
- Caracterização de solvente residual Remoção
- Tomar um espectro de FTIR transmissão periodicamente durante as condições de recozimento, a medição no mesmo local sobre a amostra de cada vez. Desenhar um esboço do substrato na fase de amostra, e colocá-lo dentro desta esboço de cada vez uma medição é feita.
- No software FTIR, clique em "Setup Experiment", e digite o número de exames como 64. Clique para a guia "Banco" e digite a faixa de digitalização como 7.000 cm -1 a 500 cm -1. Faça uma verificação em segundo plano com apenas o estágio da amostra no instrumento, clicando em "Recolha de fundo." Em seguida, coloque a amostra no palco, e clique em "Amostra Recolha" para tirar o espectro da amostra.
- Para controlar a remoção de solvente, estimar o tamanho das absorções orgânicas na matriz do filme. No software FTIR, desenhar uma linha de base na faixa espectral de interesse, cerca de 2,300-3,600 cm -1. O software calcula a área por baixo do espectro de transmissão da amostra, em relação à linha de base designada pelo utilizador.
- Tomar um espectro de FTIR transmissão periodicamente durante as condições de recozimento, a medição no mesmo local sobre a amostra de cada vez. Desenhar um esboço do substrato na fase de amostra, e colocá-lo dentro desta esboço de cada vez uma medição é feita.
- A medição da espessura de filme
- Arranhar o filme com uma pinça de ponta fina, até que o substrato escuro torna-se visível entre o filme de cor mais clara, que normalmente ocorre em um movimento riscar com uma leve pressão. Remover detritos causada pelo coçar com nitrogênio comprimido.
- Medir a espessura de filmes cobertor usando um profilometer contatopara determinar a altura do degrau a partir de película para o substrato. Open "Setup de Medição", e digite taxa de varrimento de 0,1 mm / seg, eo comprimento de digitalização de 500 mm.
- Colocar a amostra no palco, localizando a zero e rodando a amostra de tal modo que o zero é orientada no sentido esquerda-direita. Mova o estágio de tal forma que a cruz é apenas abaixo do zero, e iniciar o exame de superfície, clicando em "Medição".
- Uma vez que a verificação for concluída, arraste o R e cursores M de modo que ambos estão na superfície do filme, e clique em "Nível Dois Ponto Linear" para nivelar o perfil de superfície. Mover um cursor para a parte inferior do zero, e anote a distância entre cada posição do cursor no y-dimensão. espessura medida em vários locais para obter uma espessura média e variância dos dados.
- Determinar os perfis de espessura das películas de espessura não uniforme, digitalizando o perfilómetro através de toda a película (perpendicular ao 1-D movimento utilizado para depositar o filme), e utilizar este perfil de superfície para criar um gráfico da espessura da película versus posição.
- Digitalizar em todo o filme, inserindo um comprimento de verificação adequado maior do que a largura do filme, geralmente 10-20 mm, em "Configuração de Medição". Coloque a cruz sobre substrato não revestido de um lado do filme e clique "Medição", permitindo que o perfilómetro para completar a verificação do substrato não revestido sobre o outro lado da película. Botão direito do mouse sobre o perfil de superfície e de exportação como um arquivo .csv.
- Em alternativa, se o substrato não é suficientemente plana para se obter dados fiáveis espessura, riscar o filme para baixo para o substrato com cerca de 1 mm entre a arranhões, e perfilómetro de verificação ao longo de toda filme. Anote a espessura ea posição horizontal em cada zero, e criar um gráfico da espessura do filme vs. posição a partir desses pontos de dados.
- Arranhar o filme com uma pinça de ponta fina, até que o substrato escuro torna-se visível entre o filme de cor mais clara, que normalmente ocorre em um movimento riscar com uma leve pressão. Remover detritos causada pelo coçar com nitrogênio comprimido.
- Medir a rugosidade da superfície com um interferômetro de luz branca13. Ajustar o foco e estágio de inclinação para gerar franjas de interferência em toda a área de medição, que neste caso era 414 um x 414 mm usando o objetivo de 5x. Aqui cinco medidas ao longo da película de espessura uniforme para determinar a rugosidade média e variância dos dados.
- Medir o índice de refracção por elipsometria 14 na gama de comprimento de onda 600-1,700 nm. Neste caso, usar um ângulo de incidência de 60 °, e focar o feixe para um tamanho de mancha de 35 um.
- Aqui uma medição sobre o substrato não revestido, ajustando os dados para determinar a espessura da camada de óxido nativo. Use essas informações para modelar a amostra como um sistema de três camadas: Si wafer + óxido nativo + filme depositado. Tome oito medições em diferentes locais da amostra para determinar o índice de refração média e variância, utilizando o modelo de Cauchy para ajustar os dados.
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Resultados
Uma representação esquemática do percurso em serpentina utilizadas para obter películas de espessura uniforme com um único electropulverização bocal é mostrado na Figura 2. A Figura 3 mostra um espectro de exemplo transmissão de FTIR de um parcialmente curada tal como 40 S 60 película feita com movimento em serpentina do pulverizador, tal como bem como do espectro de etanolamina solvente puro. A partir das informações que podem ser ...
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Discussão
No início de uma película de espessura uniforme depositado com movimento em serpentina do pulverizador em relação ao substrato, o perfil de espessura da película está a aumentar. Uma vez que a distância percorrida na direcção y excede o diâmetro do pulverizador (aquando da chegada ao substrato), a taxa de fluxo torna-se aproximadamente equivalente para todos os pontos sobre o substrato, e a uniformidade de espessura é alcançado. Para determinar os parâmetros de deposição adequadas de uma película de espessura uniforme e...
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Divulgações
Os autores não têm nada a divulgar.
Agradecimentos
O financiamento para este trabalho foi fornecido pelos contratos da Agência de Redução de Ameaças de Defesa HDTRA1-10-1-0073: HDTRA1-13-1-0001.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Etanolamina | Sigma-Aldrich | 411000-100ML | 99,5% de pureza |
| Si wafer | University Wafer | 1708 | |
| Seringa | Sigma-Aldrich | 20788 | Hamilton 700 series, volume de 50 microlitros |
| Bomba de seringa | Chemyx | Nanojet | |
| Fresadora CNC | MIB instrumentos | CNC 3020 | |
| Fonte de alimentação | Acopian | P015HP4 | AC-DC, 15 kV, 4 mA |
Referências
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Reimpressões e permissões
