Abstract
Soluzione a base di deposizione di film elettrospray, che è compatibile con continuo, il processo di roll-to-roll, viene applicato agli occhiali calcogenuri. Due composizioni calcogenuri sono dimostrati: Ge 23 Sb 7 S 70 e il 40 S 60, che sono stati entrambi ampiamente studiata per medio infrarosso (mid-IR) dispositivi microphotonic planari. In questo approccio, i film di spessore uniforme vengono fabbricati mediante l'uso di controllo (CNC) motion numerico del computer. vetro calcogenuro (ChG) è scritto sul substrato da un singolo ugello lungo un percorso a serpentina. Films sono stati sottoposti ad una serie di trattamenti termici tra 100 ° C e 200 ° C sotto vuoto per allontanare il solvente residuo e densificare film. Sulla base di Fourier trasmissione spettroscopia infrarossa in trasformata (FTIR) e la superficie misure di rugosità, entrambe le composizioni sono stati trovati per essere adatto per la fabbricazione di dispositivi planari operanti nella regione medio-IR. solvente residuorimozione è risultato essere molto più veloce per As 40 S 60 pellicola rispetto al Ge 23 Sb 7 S 70. Sulla base dei vantaggi di elettrospray, stampa diretta di un rivestimento trasparente gradiente di indice di rifrazione (GRIN) mid-IR è previsto, data la differenza di indice di rifrazione dei due composizioni in questo studio.
Introduction
Vetri calcogenuri (ChGs) sono ben noti per la loro trasmissione a infrarossi ampia e riconducibilità a spessore uniforme, la deposizione di film coperta 1-3. On-chip guide d'onda, risonatori e altri componenti ottici possono essere formati da questo film di tecniche di litografia, e quindi il successivo rivestimento polimerico per fabbricare dispositivi microphotonic 4-5. Un'applicazione chiave che cerchiamo di sviluppare è piccolo, poco costoso, dispositivi di rilevamento chimico altamente sensibili che operano nel mid-IR, dove molte specie organiche hanno firme ottici 6. sensori chimici Microphotonic possono essere distribuiti in ambienti difficili, come ad esempio nei pressi di reattori nucleari, in cui l'esposizione alle radiazioni (raggi gamma e alfa) è probabile. Quindi un ampio studio della modifica delle proprietà ottiche dei materiali elettrospray CHG è critica e sarà segnalato in un altro documento. In questo articolo, deposizione di film electrospray di ChGs è esposta, in quanto è un metodo solo recentementeapplicato a ChGs 7.
I metodi di deposizione di film esistenti possono essere classificati in due categorie: tecniche di deposizione di vapore, come l'evaporazione termica di obiettivi Chg rinfusa, e tecniche di soluzione derivate, ad esempio per spin-coating una soluzione di ChG disciolto in un solvente ammina. Generalmente, pellicole soluzione derivata tendono a produrre un aumento di perdita del segnale luminoso per la presenza di solvente residuo nella matrice film 3, ma un unico vantaggio di tecniche di soluzione derivata oltre deposizione di vapore è il semplice inserimento di nanoparticelle (ad esempio, quantum dots o QD) prima spin-coating 8-10. Tuttavia, l'aggregazione delle nanoparticelle è stata osservata in rotazione rivestite film 10. Inoltre, mentre la deposizione e spin-coating approcci vapori sono particolarmente adatti alla formazione di spessore uniforme, film coperta, essi non si prestano bene a deposizioni localizzate, o film di spessore non uniforme ingegnerizzati. Fnoltre, scale-up di spin-coating è difficile a causa di residui ad alta materiale dovuto al dilavamento dal substrato, e perché non è un processo continuo 11.
Per superare alcuni dei limiti delle attuali tecniche di deposizione di film Chg, abbiamo investigato l'applicazione elettrospray al sistema materiali Chg. In questo processo, uno spray aerosol può essere formata della soluzione ChG applicando un campo elettrico ad alta tensione 7. Poiché si tratta di un processo continuo che è compatibile con il processo di roll-to-roll, nei pressi utilizzo 100% di materiale è possibile, il che è un vantaggio rispetto spin-coating. Inoltre, abbiamo proposto che l'isolamento dei singoli QD nelle singole goccioline ChG aerosol potrebbe portare ad una migliore dispersione QD, a causa delle goccioline cariche essendo spazialmente auto-disperdente dalla repulsione Coulombiana, combinata con i più rapidi cinetiche essiccazione delle goccioline elevata area superficiale che minimizzano il movimento di QD causa dellaaumentando la viscosità delle goccioline mentre in volo 7, 12. Infine, la deposizione localizzata è un vantaggio che può essere utilizzato per fabbricare rivestimenti GRIN. Esplorazioni di entrambi incorporazione QD e GRIN fabbricazione di ChG con elettrospray sono attualmente in corso per essere presentata come un prossimo articolo.
In questa pubblicazione, la flessibilità del electrospray è dimostrata da entrambi deposizioni localizzati e film di spessore uniforme. Per studiare l'idoneità dei film per applicazioni fotoniche planari, trasmissione trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa (FTIR), qualità delle superfici, lo spessore, e le misurazioni dell'indice di rifrazione sono utilizzati.
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Protocol
Attenzione: Si prega di consultare le schede di sicurezza (SDS) quando si lavora con queste sostanze chimiche, ed essere consapevoli degli altri pericoli come ad alta tensione, il movimento meccanico del sistema di deposizione, e le alte temperature della piastra e forni utilizzati.
Nota: Iniziare questo protocollo con il vetro calcogenuro di massa, che viene preparato da noti tecniche di fusione di tempra 2.
1. Preparazione di CHG Solutions
Nota: Due soluzioni sono utilizzati in questo studio, Ge 23 Sb 7 S 70 e As 40 S 60, sia disciolto in etanolammina alla concentrazione di 0,05 g / ml. La preparazione delle due soluzioni sono identici. Eseguire tutti i passaggi in questa sezione all'interno di una cappa aspirante.
- Schiacciare il vetro di massa in una polvere fine con un mortaio e pestello.
- Mescolare 0,25 g del vetro con 5 ml di solvente etanolamina.
- Consentire 1-2 giorni per la completa dissoluzioneil vetro. Accelerare la dissoluzione riscaldando la soluzione su una piastra con una temperatura superficiale di ~ 50-75 ° C. Aumentare il tasso di dissoluzione con agitazione della miscela, ad esempio con una barra di agitazione magnetica.
- soluzione filtro in una fiala con 0,45 micron politetrafluoroetilene filtro (PTFE) per rimuovere eventuali grandi precipitati dalla soluzione.
2. Impostazione del processo di deposizione
Nota: Il sistema di deposizione elettrospray è rappresentato schematicamente in figura 1 In questo processo, una siringa di vetro 50 microlitri con pistone PTFE a punta viene utilizzato.. La siringa è uno stile ago asportabile con un 22 gauge diametro esterno dell'ago (diametro esterno 0,72 millimetri 0,17 mm di diametro interno) cono-punta, ed è collegato alla pompa a siringa orientato verticalmente del sistema elettrospray. Il sistema elettrospray è esposto all'atmosfera ambiente in questi esperimenti iniziali, anche se il sistema è predisposto all'interno di un vano portaoggetti. Il sistema dovrebbe essere in sét-up in una posizione in cui è isolato dall'utente, come ad esempio una cappa aspirante.
- Posizionare l'estremità dell'ago nella soluzione ChG. Aspirare la soluzione nella siringa impostando la pompa a siringa in modalità estratto ad una velocità lenta, ad esempio 150 ml / hr, per evitare la formazione di bolle.
- Impostare la distanza di lavoro (10 mm in questo caso) tra l'estremità dell'ugello e la parte superiore del substrato di Si tramite il CNC in modalità spostamento manuale. Posizionare il substrato di Si, che è non drogato ed ha una resistività di 10.000 Ohm-cm, su una piastra di alluminio collegato al ritorno a terra elettrica.
- Consentire un piccolo volume di liquido per rivestire la superficie esterna dell'ugello erogando un liquido dalla siringa utilizzando la pompa a siringa. Attivare piastra su ad una temperatura superficiale di circa 75-100 ° C. Attendere ~ 2 ore per consentire una pellicola di vetro a secco sulla superficie dell'ugello. Questo rivestimento aiuta la stabilità dello spray.
3. Electrospray Deposizionedi chg Films
- Collegare la corrente continua (DC) alimentazione all'ugello siringa con una clip elettrica.
- Impostare la portata a 10 ml / h, e sintonizzare tensione continua per formare un cono di Taylor stabile (~ 4 kV a 10 mm di distanza di lavoro). Visualizza lo spray con una telecamera alto ingrandimento.
- Inizia motion CNC dello spray sul substrato per depositare pellicole, una volta che lo spray è stabile.
- Utilizzare un percorso tortuoso per spessore uniforme, o unidimensionale (1-D) passa per un profilo di spessore lineare.
- Utilizzare passa con una distanza maggiore della larghezza del substrato, in modo tale che lo spruzzo sposta completamente fuori del substrato prima di effettuare il passaggio successivo. Questo viene fatto in modo che la portata del liquido è la stessa in ogni punto sul substrato.
- Controllare il CNC utilizzando il software LinuxCNC. Per un esempio, utilizzare il codice G supplementare per un percorso a serpentina con 0,5 mm di offset tra le passate, velocità di 20 mm / min, e 30 mm di lunghezza dei passi. Figura 1
- Sottoporre il film depositato ad una serie di trattamenti termici sotto vuoto per 1 ora ciascuno a 100, 125, 150 e 175 ° C e 16 ore a 200 ° C. Una ottimizzazione dei parametri di trattamento termico è presentato nella sezione Risultati rappresentativi di questo articolo.
4. Caratterizzazione dei film CHG
- Caratterizzazione di rimozione residua di solventi
- Prendere uno spettro di trasmissione FTIR periodicamente durante le condizioni di ricottura, misurando la stessa posizione sul campione di volta in volta. Disegnare un contorno del substrato sul palco del campione, e posizionarlo all'interno di questo schema ogni volta che viene presa una misurazione.
- Nel software FTIR, fai clic su "Imposta Experiment", e digitare il numero di scansioni come 64. Fare clic sulla scheda "da banco" e digitare nel campo di scansione a 7.000 cm -1 a 500 cm -1. Prendere una scansione di fondo con solo la fase del campione nello strumento cliccando su "Raccogliere sfondo." Poi posto il campione sul palco, e fare clic su "Sample Collect" per prendere lo spettro del campione.
- Per monitorare l'eliminazione del solvente, stimare la dimensione degli assorbimenti organici nella matrice film. Nel software FTIR, tracciare una linea di base nel campo spettrale di interesse, a circa 2,300-3,600 cm -1. Il software calcola l'area sotto lo spettro di trasmissione del campione, rispetto alla linea di base designata dall'utente.
- Prendere uno spettro di trasmissione FTIR periodicamente durante le condizioni di ricottura, misurando la stessa posizione sul campione di volta in volta. Disegnare un contorno del substrato sul palco del campione, e posizionarlo all'interno di questo schema ogni volta che viene presa una misurazione.
- Misurazione dello spessore del film
- Gratta il film con una pinzetta punta fine, fino a quando il substrato scuro diventa visibile tra la pellicola di colore più chiaro, che in genere si verifica in un unico movimento di graffiare con una leggera pressione. Rimuovere i detriti causati da graffi con azoto compresso.
- Misurare lo spessore del film coperta utilizzando un profilometro contattoper determinare l'altezza del gradino dalla pellicola al substrato. Apri "Configurazione di misura" e digitare velocità di scansione di 0,1 mm / sec, e la lunghezza di scansione di 500 micron.
- Posizionare campione sul palco, localizzare il graffio e ruotando il campione in modo che il graffio è orientata nella direzione sinistra-destra. Spostare lo stadio in modo che il mirino sono appena sotto il graffio, e iniziare la scansione della superficie cliccando su "misura".
- Una volta che la scansione è terminata, trascinare la R e cursori M in modo che siano entrambi sulla superficie del film, e fare clic su "Livello due punti lineare" per livellare il profilo superficiale. Spostare un cursore al fondo del graffio, e annotare la distanza tra ogni posizione del cursore nel y-quota. Misurare lo spessore in più posizioni per ottenere uno spessore medio e varianza nei dati.
- Determinare i profili di spessore dei film di spessore non uniforme attraverso la scansione del profilometro sull'intera pellicola (perpendicolare al 1motion -D usata per depositare film), e utilizzare questo profilo di superficie per creare un grafico dello spessore del film vs. posizione.
- Scansione sull'intera pellicola inserendo una lunghezza di scansione appropriata maggiore della larghezza del film, di solito 10-20 mm, in "Setup misurazione". Posizionare il mirino su substrato non rivestito su un lato della pellicola e clicca "Measurement", permettendo al profilometro per completare la scansione su substrato non rivestito sull'altro lato della pellicola. Fare clic destro sul profilo della superficie e l'esportazione in un file .csv.
- In alternativa, se il substrato non è abbastanza piatta per ottenere dati affidabili spessore, graffiare il film fino al substrato con circa 1 mm tra le graffiature e profilometro scansione su tutta la pellicola. Annotare lo spessore e la posizione orizzontale ad ogni zero, e creare un grafico dello spessore del film vs. posizione da questi punti di dati.
- Gratta il film con una pinzetta punta fine, fino a quando il substrato scuro diventa visibile tra la pellicola di colore più chiaro, che in genere si verifica in un unico movimento di graffiare con una leggera pressione. Rimuovere i detriti causati da graffi con azoto compresso.
- Misurare rugosità superficiale con un interferometro a luce bianca13. Regolare l'inclinazione fuoco e la fase di generare frange di interferenza sull'intera area di misura, che in questo caso era 414 micron x 414 micron usando l'obiettivo 5x. Prendere cinque misurazioni attraverso il film spessore uniforme per determinare la rugosità media e la varianza dei dati.
- Misurare l'indice di rifrazione con un ellissometro 14 nell'intervallo 600-1,700 nm. In questo caso, utilizzare un angolo di incidenza di 60 °, e focalizzare il fascio ad uno spot di 35 micron.
- Effettuare una misurazione sul substrato non rivestito, montaggio dei dati per determinare lo spessore dello strato di ossido nativo. Utilizzare queste informazioni per modellare il campione come un sistema a tre strati: Si wafer + ossido nativo + film depositato. Prendere otto misurazioni in diversi punti del campione per determinare l'indice medio di rifrazione e varianza, mentre si utilizza il modello di Cauchy per adattarsi ai dati.
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Representative Results
Una rappresentazione schematica del percorso a serpentina utilizzato per ottenere film di spessore uniforme con singola electrospray ugello è mostrato nella Figura 2. La Figura 3 mostra uno spettro esempio trasmissione FTIR di un parzialmente vulcanizzato 40 S 60 film realizzato con moto serpentina dello spray, come così come lo spettro di solvente puro etanolammina. Dalle informazioni che possono essere ottenute dagli spettri FTIR, come mostrato in Figura 3, Figura 4 mostra l'evoluzione del solvente durante i trattamenti termici di spessore uniforme Ge 23 Sb 7 S 70 e il 40 S 60 film. la rimozione del solvente è un componente chiave di sviluppo delle pellicole ChG soluzione-based. Questo è principalmente a causa della presenza di solvente residuo provoca perdita per assorbimento della luce nell'intervallo funzionamento del dispositivo previsto nel medio IR. Pertanto, l'uso della trasmissionespettroscopia FTIR è un parametro che può essere utilizzata per ottimizzare le condizioni di trattamento termico che portano ad una concentrazione minima di solvente residuo, e indica condizioni di lavorazione che possono portare alla perdita minima di luce. Film cause rugosità superficiale perdita di dispersione della luce, quindi misurare questo è anche utile per ottimizzare le condizioni di trasformazione per perdita minima. Tuttavia, va notato che una misurazione perdita vera consiste di luce di accoppiamento nel film o guida d'onda fabbricato dalla pellicola per consentire una lunga lunghezza del percorso dell'ordine di cm. Oltre a comprendere perdita, è anche importante capire l'indice di rifrazione del film per il design ottico del dispositivo. Rifrazione indice di dispersione dei film dopo tutti i trattamenti termici sono stati completati è mostrato in Figura 5. Questa misura può essere analizzata mediante confronto dell'indice di rifrazione pellicola a quella del vetro bulk corrispondente. L'indice di rifrazione di una pellicola ChG generalmente varia in qualche misura from vetro bulk corrispondente, e questa variazione può essere il risultato di differenze nella disposizione strutturale degli atomi, cambiamenti di composizione dovute al processo di deposizione o di volatilizzazione durante il trattamento termico. Nel caso di film di soluzione derivata, l'indice di rifrazione cambia anche durante i trattamenti termici come solvente viene rimosso e la pellicola addensa.
Infine, la Figura 6 mostra i profili di spessore di film depositati con 1-D di movimento dello spray. In questo caso, lo spessore diminuisce linearmente dalla mezzeria del film. Con misure di variazione dello spessore del film, la portata spaziale all'interno spray può essere compreso, permettendo una struttura desiderata di essere ingegnerizzati. La Figura 7 mostra le fotografie dei film realizzati a serpentino e 1-D di movimento dello spray per riferimento. Generalmente, analisi visiva dei film può essere effettuato osservando gli effetti di interferenza ottica. ion questo sistema a due strati, pellicola + substrato, regioni di spessore uniforme sembrano essere dello stesso colore (assumendo che l'indice di rifrazione rimane costante).
Figura 1:. Rappresentazione schematica del sistema di deposizione elettrospray Questo schema mostra tutti i componenti chiave del sistema, con l'eccezione della macchina CNC. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Rappresentazione schematica del percorso a serpentina CNC-controllato per ottenere film di spessore uniforme Lo spray è raffigurato all'inizio della deposizione, che poi quindi traccia fuori.il percorso indicato dalle frecce. La risultante profilo approssimativa spessore del film viene mostrato alla destra del substrato. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3:. Confronto tra spettri di trasmissione a infrarossi di pura etanolammina solvente curarsi parzialmente Come 40 S 60 pellicola Il solvente viene misurata con riflettanza totale attenuata (ATR), e la pellicola è misurata in trasmissione attraverso la pellicola e il substrato di Si. La gamma spettrale primaria di interesse sono gli assorbimenti dovuti alla presenza di solvente etanolamina residua nella matrice film al ~ 2,300-3,600 cm -1 numero d'onda. Una linea di base retta è disegnata in questo intervallo, e la Integzona nominale sotto il assorbimenti rispetto a quello della linea di base è calcolato al fine di monitorare la rimozione del solvente residuo dalla matrice film. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4:. Trama della zona integrata sotto assorbimenti solvente residuo La zona è preso dalla gamma di ~ 2,300-3,600 cm -1 dalla trasmissione FTIR spettri di spessore uniforme Ge 23 Sb 7 S 70 (a) e As 40 S 60 ( b), durante i trattamenti termici sottovuoto dei campioni. Il profilo di temperatura dei trattamenti termici è dato dalla linea tratteggiata blu, e lo spessore della pellicola teorica è dato dalla linea tratteggiata grigia, che è stato previstoutilizzando l'equazione 1. I dati in queste figure è da trattamento termico sequenziale e caratterizzazione periodica degli stessi campioni. Le barre di errore sul spessore del film sono ± una deviazione standard dei cinque misurazioni, mentre le barre di errore sul area del picco del solvente sono ± 5%, che è risultato essere la varianza approssimativa di questo metodo. Cliccate qui per vedere una versione più grande questa figura.
Figura 5: Indice di rifrazione del film electrosprayed spessore uniforme. I dati sono stati misurati da ellissometria e in forma con il modello di Cauchy. Il Ge 23 Sb 7 S 70 film è stato ricotto per 20 ore secondo la figura 3, e ha uno spessore di ~ 410 nm. L'AS 40 S 60 film è stato un LSO ricotto per 20 ore secondo la figura 4, ed ha uno spessore di ~ 200 nm. Le barre di errore sono ± una deviazione standard delle misurazioni in otto diverse posizioni del campione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6: profili spessore di film realizzati con 1-D di movimento dello spray, portando a cambiando linearmente spessore di pellicola distanza di lavoro è variata, mentre portata è fissato a 10 microlitri / hr, e la velocità dello spray sul substrato è fisso. a 1 mm / min. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Figura 7:. Fotografie di film realizzati con il percorso a serpentina (sinistra 10 mm distanza di lavoro), e il movimento 1-D (destra 5 mm distanza di lavoro) Per i film realizzati con moto 1-D, il numero di passaggi era 8, 10, 12, e 6, che va da sinistra a destra. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Codice supplementare:. Esempio G-codice utilizzato per il percorso a serpentina Questo codice permette il movimento dell'ugello in un percorso a serpentina con una velocità di 20 mm / min, distanza 30 mm di ogni passaggio, e di offset tra ciascun passaggio 0,5 mm. Clicca qui per scaricare questo file.
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Discussion
All'inizio di un film spessore uniforme depositato con moto serpentina dello spray rispetto al substrato, il profilo spessore del film è in aumento. Una volta che la distanza percorsa nella direzione y supera il diametro dello spray (all'arrivo in substrato), il tasso di flusso diventa approssimativamente equivalente per ogni punto sul substrato, e si realizza uniformità di spessore. Per determinare i parametri di deposizione appropriati di un film di spessore uniforme electrosprayed, spessore del film teorica, T, viene utilizzato. Questo è dato dall'equazione 1, che deriva dai parametri di deposizione riportati in Tabella 1.
In questa stima dello spessore teorico, pellicole si presume essere completamente polimerizzato con la stessa densità del vetro rinfusa, è ideale per i film aavvicinare le proprietà del vetro bulk corrispondente. Usando questa stima è quindi utile per l'ottimizzazione dei trattamenti termici per la rimozione del solvente e completa densificazione del film, in modo che le proprietà di vetro alla rinfusa, come indice di rifrazione, possono essere avvicinati. Rimozione del solvente è estremamente importante in modo che i film sono trasmissivo possibile nella regione medio-IR, come la presenza di solvente residuo può portare alla perdita di assorbimento della luce attraverso il materiale. Figure 3 e 4 mostrano le ottimizzazioni trattamento termico di Ge 23 Sb 7 S 70 e As 40 S 60, rispettivamente. Vuoto estesa cottura a 200 ° C (la temperatura massima del forno) per 16 ore è necessario ridurre al minimo le dimensioni dei picchi di assorbimento di solvente nel Sb 7 S 70 matrice pellicola Ge 23, considerando dimensioni simili picco vengono osservati nel Come 40 S 60 film dopo ~ 7 ore. Analogamente, è stato trovato thin quanto 40 S 60 si avvicina spessore teorico dopo ~ 7 ore di vuoto da forno, e diventa più sottile rispetto al valore teorico con ricottura estesa, mentre Ge 23 Sb 7 S 70 rimane significativamente più spessa rispetto al valore teorico, nonostante trattamenti termici prolungati. Se un film è più spesso del valore teorico, questo probabilmente indica che esso contiene porosità e / o solvente residuo. Se un film è più sottile rispetto al valore teorico, la spiegazione più probabile è che alcuni materiale è volatilizzato, ed eventualmente cambiato stechiometria di conseguenza, influenzando le proprietà ottiche mirati. I dati presentati sono di spessore medie di cinque misurazioni su un'area dispositivo rilevante di circa 1 cm 2, e relativamente piccole barre di errore sulle misure di spessore conferma che il percorso a serpentina porta a buon spessore uniformità.
Oltre al solvente rimozione, minimizzando pellicola rugosità superficiale è also molto importante ridurre al minimo la perdita di luce attraverso il materiale. È stato precedentemente dimostrato che la rugosità superficiale su guide d'onda può portare alla perdita di luce 15 dispersione. La radice quadratico medio (RMS) rugosità della Ge 23 Sb 7 S 70 film dopo 20 ore di cottura sottovuoto era 2,5 nm ± 1,0 nm, mentre la rugosità RMS del film come 40 S 60 è stata del 5,8 nm ± 1,1 nm. La qualità della superficie potrebbe essere ottimizzato ulteriormente sintonizzando altri parametri di deposizione, come distanza di lavoro e portata. Tuttavia, questi valori iniziali sono accettabili per gli studi iniziali sulla possibile utilizzo in dispositivi ottici 16.
Come previsto, sono state osservate differenze negli indici di rifrazione dei due composizioni studiate, che significa che un GRIN potrebbe essere direttamente "stampato" a spruzzo simultaneo delle due soluzioni, o da strutture multistrato delle due composizioni. Gli indici di rifrazione misurati dei due composizioni studiate in questo articolo sono simili ai precedenti studi su film di spin-rivestito della stessa composizione, in cui As 40 S 60 si avvicina l'indice del vetro bulk corrispondente, mentre Ge 23 Sb 7 S 70 tende a rimanere sotto l'indice del corrispondente vetro bulk 1, 17. il lavoro è attualmente in corso di dimostrare un rivestimento GRIN efficace attraverso la deposizione di film multistrato, dove i singoli composizioni hanno una variazione lineare del spessore del film. Un spessore del film linearmente modifica o triangolare pellicola sagomata sezione trasversale, possono essere ottenuti con 1-D di movimento dello spray sul substrato. L'area di copertura del rivestimento può essere regolato variando la distanza di funzionamento, mentre l'inclinazione dello spessore del film può essere regolata variando il numero di passaggi o velocità del passaggio.
Elettrospray è capace di fabbricazione continuo 18, che è un vantaggio potenziale per scale-up rispetto apiù tradizionale spin-coating ed evaporazione termica di film Chg, che sono discreti in natura. Inoltre, progettati film spessore non uniforme sono possibili con elettrospray, tale da consentire una pellicola GRIN essere depositato direttamente dalla deposizione di molteplici soluzioni con differenti composizioni di vetro. Tale GRIN potrebbe essere realizzata rivestimento di copertura di strati multipli di spin-coating o evaporazione termica, ma questa sarebbe probabilmente un processo più complesso che coinvolge diversi deposizioni di varie composizioni e mascheratura di varie regioni del substrato. Tuttavia, ci sono alcune limitazioni attuali della elettrospray. Ad esempio, la velocità è molto bassa con l'uso di un unico ugello, anche matrici di ugelli multiplati sono state dimostrate in altri sistemi di materiali per consentire una maggiore velocità 18. Inoltre, lo spruzzo a volte può diventare instabile, con conseguente scarsa qualità del film. Questo è stato osservato per essere un risultato di bagnatura della soluzione ChG il surfac ugelloe, quindi si propone di superare applicando un chimicamente resistente, rivestimento idrofobo alla superficie dell'ugello, come ad esempio PTFE. In questi studi, è stato osservato un rivestimento ChG sulla superficie dell'ugello per migliorare la stabilità, come descritto nella sezione Protocollo.
In conclusione, abbiamo dimostrato alcuni vantaggi interessanti electrospray per lavorazione del film ChG, in particolare la compatibilità con il processo di roll-to-roll, e la possibilità di progettare rivestimenti spessore non uniforme attraverso deposizioni localizzate. Con ulteriore ottimizzazione, questo metodo di deposizione potrebbe rivelarsi vantaggiosa per la lavorazione di mid-IR, dispositivi microphotonic e valorizzazione del loro disegno.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ethanolamine | Sigma-Aldrich | 411000-100ML | 99.5% purity |
| Si wafer | University Wafer | 1708 | Double side polished, undoped |
| Syringe | Sigma-Aldrich | 20788 | Hamilton 700 series, 50 microliter volume |
| Syringe pump | Chemyx | Nanojet | |
| CNC milling machine | MIB instruments | CNC 3020 | |
| Power supply | Acopian | P015HP4 | AC-DC power supply, 15 kV, 4 mA |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Chiles, J., et al. Low-loss, submicron chalcogenide integrated photonics with chlorine plasma etching. Appl. Phys. Lett. 106, 11110 (2015).
- Hu, J., et al. Demonstration of chalcogenide glass racetrack microresonators. Opt. Lett. 38 (8), 761-763 (2008).
- Singh, V., et al. Mid-infrared materials and devices on a Si platform for optical sensing. Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 014603 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lu, C., Almeida, J. M. P., Yao, N., Arnold, C. Fabrication of uniformly dispersed nanoparticle-doped chalcogenide glass. Appl. Phys. Lett. 105, 261906 (2014).
- 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).
- Novak, S. Electrospray deposition of chalcogenide glass films for gradient refractive index and quantum dot incorporation [dissertation]. , Clemson University. (2015).
- Tolansky, S. New contributions to interferometry, with applications to crystal studies. J. Sci. Instrum. 22 (9), 161-167 (1945).
- 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).
- Hu, J., et al. Optical loss reduction in high-index-contrast chalcogenide glass waveguides via thermal reflow. Opt. Exp. 18 (2), 1469-1478 (2010).
- Hu, J., et al. Exploration of waveguide fabrications from thermally evaporated Ge-Sb-S glass films. Opt. Mater. 30, 1560-1566 (2008).
- 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).
- 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).
