Electrospray Afzetting van uniforme dikte Ge
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

Published 8/19/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Novak, S., Lin, P. T., Li, C., Borodinov, N., Han, Z., Monmeyran, C., et al. Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films. J. Vis. Exp. (114), e54379, doi:10.3791/54379 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

-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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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
  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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 getoond in figuur 3, Figuur 4 toont de evolutie van het oplosmiddel gedurende de warmtebehandeling van uniforme dikte Ge Sb 23 7 S 70 en S 40 Al 60 films. Oplosmiddel verwijderen is een belangrijk onderdeel van-oplossing op basis CHG film verwerking. Dit komt voornamelijk omdat de aanwezigheid van achtergebleven oplosmiddel veroorzaakt absorptie lichtverlies in de beoogde werking van het apparaat bereik in het midden van de IR. Daarom is het gebruik van verzendingFTIR spectroscopie is een gegeven dat kan worden gebruikt voor de warmtebehandeling omstandigheden die leiden tot een minimale concentratie van resterend oplosmiddel te optimaliseren en geeft procesomstandigheden die kunnen leiden tot minimale lichtverlies. Film oppervlakteruwheid oorzaken verstrooiing lichtverlies, dus deze meting is ook nuttig om de verwerkingsomstandigheden voor minimaal verlies optimaliseren. Er moet echter worden opgemerkt dat een echte verlies meting uit koppeling licht in de film of golfgeleider vervaardigd uit de film een ​​lange weglengte in de orde van cm mogelijk. Naast begrijpen schade, is het ook belangrijk om de brekingsindex van de film voor optische ontwerp van het apparaat te begrijpen. Brekingsindex dispersie van de folies nadat alle warmtebehandelingen afgerond wordt getoond in figuur 5. Deze meting kan worden geanalyseerd door vergelijking van film brekingsindex van die van de overeenkomstige bulk glas. De brekingsindex van een film CHG algemeen varieert tot op zekere hoogte from de corresponderende bulk glas, en deze variatie kan een gevolg van verschillen in de structurele rangschikking van de atomen, samenstelling veranderingen als gevolg van het depositieproces of vervluchtiging tijdens warmtebehandeling. Bij oplossing verkregen films, de brekingsindex verandert ook de gehele warmtebehandeling als oplosmiddel wordt verwijderd en de folie verdicht.

Tenslotte toont figuur 6 de profielen dikte van films die zijn afgezet met 1-D beweging van de spray. In dit geval is de dikte lineair af vanaf de hartlijn van de film. Bij metingen van de filmdikte variatie kan de ruimtelijke doorstroomsnelheid in de spray worden begrepen, zodat een gewenste structuur te worden gemanipuleerd. Figuur 7 toont foto's van de films met serpentine en 1-D beweging van de spray voor referentie. In het algemeen kan visuele analyse van de films worden door het observeren van de effecten van optische interferentie. ikn het tweelagige, film + substraatsysteem, gebieden van uniforme dikte blijken dezelfde kleur (aangenomen dat de brekingsindex blijft constant) zijn.

Figuur 1
Figuur 1:. Schematische weergave van elektrospray depositie systeem Dit schema toont alle belangrijke componenten van het systeem, met uitzondering van de CNC-machine. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: Schematische weergave van de CNC-gestuurde kronkelend pad uniforme dikte te verkrijgen films De spray wordt weergegeven aan het begin van de afzetting, die dan vervolgens sporen uit.het pad aangegeven met de pijlen. De geschatte resulterende laagdikte profiel wordt getoond aan de rechterkant van de ondergrond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3:. Vergelijking van infrarood transmissie spectra van pure ethanolamine oplosmiddel gedeeltelijk uitgeharde Al 40 S 60 film Het oplosmiddel wordt gemeten met verzwakte totale reflectie (ATR), en de film in transmissie gemeten door middel van film en Si-substraat. De primaire spectrum van belang zijn de absorpties door de aanwezigheid van achtergebleven oplosmiddel in de ethanolamine filmmatrix bij ~ 2,300-3,600 cm -1 golfgetal. Een rechte basislijn wordt getrokken in dit bereik, en de integgewaardeerd gebied onder de absorpties opzichte van die basislijn wordt berekend om de verwijdering van resterend oplosmiddel uit de folie matrix volgen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien.

figuur 4
Figuur 4:. Plot van het geïntegreerde oppervlak onder resterend oplosmiddel absorpties Het gebied wordt genomen uit de reeks ~ 2,300-3,600 cm -1 overbrenging van FTIR spectra van uniforme dikte Ge Sb 23 7 S 70 (a) en Al 40 S 60 ( b) gedurende vacuümwarmtebehandelingen van de monsters. Het temperatuurprofiel van de warmtebehandeling wordt gegeven door de gestippelde blauwe lijn en de theoretische filmdikte wordt gegeven door de gestippelde grijze lijn, die is voorspeldmet behulp van Vergelijking 1. De gegevens in deze cijfers is van een sequentiële warmtebehandeling en periodieke karakterisering van dezelfde monsters. De fout bars op film dikte ± één standaardafwijking van de vijf metingen, terwijl de fout bars op oplosmiddel piekoppervlak zijn ± 5%, die werd gevonden om de geschatte variantie van deze methode zijn. Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.

figuur 5
Figuur 5: Brekingsindex uniforme dikte electrospray films. Deze gegevens werden gemeten door ellipsometrie en fit met de Cauchy model. De Ge Sb 23 7 S 70 film werd uitgegloeid gedurende 20 uur volgens figuur 3, en heeft een dikte van ~ 410 nm. De AS 40 S 60 film was een lso gegloeid gedurende 20 uur volgens figuur 4, en heeft een dikte van ~ 200 nm. De fout bars zijn ± één standaarddeviatie van de metingen op acht verschillende locaties monster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6: Dikte profielen van films met 1-D beweging van de spuit, waardoor lineair veranderende filmdikte werkafstand gevarieerd, terwijl debiet wordt vastgelegd op 10 pl / uur en snelheid van de spray op het substraat gefixeerd. 1 mm / min. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7 "src =" / files / ftp_upload / 54379 / 54379fig7.jpg "/>
Figuur 7:. Beelden van films met kronkelige baan (links, 10 mm werkafstand) en 1-D motion (rechts 5 mm werkafstand) van de film gemaakt met 1-D beweging, het aantal passages was 8, 10, 12, en 6, van links naar rechts. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullende code:. Voorbeeld G-code gebruikt voor het kronkelend pad Deze code maakt het mogelijk beweging van het mondstuk in een kronkelige weg met een snelheid van 20 mm / min, 30 mm afstand van elke pas, en 0,5 mm offset tussen elke pass. Klik hier om download dit bestand.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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, die is afgeleid van de depositie parameters in tabel 1.

vergelijking 1
vergelijking 1

In deze schatting theoretische dikte, worden films verondersteld volledig genezen met dezelfde dichtheid als bulk glas, omdat het ideaal voor de filmsaanpak van de eigenschappen van de overeenkomstige bulk glas. Gebruik van deze schatting is derhalve nuttig bij het optimaliseren van warmtebehandelingen voor verwijdering van oplosmiddel en volledige verdichting van de film, zodat de bulk glas eigenschappen, zoals brekingsindex, kan worden benaderd. Verwijdering van oplosmiddel is van groot belang dat de films zo doorlatend mogelijk in het midden infrarood gebied, omdat de aanwezigheid van achtergebleven oplosmiddel kan leiden tot absorptie lichtverlies door het materiaal. Figuren 3 en 4 tonen de warmtebehandeling optimalisatie van Ge 23 Sb 7 S 70 en S 60 40 Al, respectievelijk. Uitgebreide vacuüm bakken bij 200 ° C (de maximale temperatuur van de oven) gedurende 16 uur moet de grootte van het oplosmiddel absorptiepieken in de Ge 23 Sb 7 S 70 filmmatrix minimaliseren, terwijl vergelijkbare piek maten worden waargenomen in de 40 S 60 film na ~ 7 uur. Ook bleek thZoals op 40 S 60 benadert de theoretische dikte na ~ 7 uur vacuüm bakken, en dunner dan de theoretische waarde met uitgebreide gloeien, terwijl Ge 23 Sb 7 S 70 aanzienlijk dikker dan de theoretische waarde, ondanks uitgebreide hitte behandelingen blijft. Is de film dikker dan de theoretische waarde, dat waarschijnlijk aan dat het poreusheid en / of achtergebleven oplosmiddel bevat. Is de film dunner is dan de theoretische waarde, de meest waarschijnlijke verklaring is dat sommige materiaal verdampt en eventueel veranderde stoïchiometrie als gevolg, waardoor de gerichte optische eigenschappen. De dikte gepresenteerde gegevens zijn gemiddelden van vijf metingen over een inrichting relevante gebied van ongeveer 1 cm2 en de relatief kleine foutbalken op de diktemetingen bevestigt dat het kronkelend pad tot goede uniformiteit van dikte.

Naast het verwijderen oplosmiddel, geminimaliseerd film oppervlakteruwheid also erg belangrijk om verlies van licht door het materiaal te minimaliseren. Het is eerder aangetoond dat oppervlakteruwheid op golfgeleiders kan leiden tot verstrooiing lichtverlies 15. De effectieve waarde (RMS) ruwheid van het Ge 23 Sb 7 S 70 film na 20 uur vacuüm bakken was 2,5 nm ± 1,0 nm, terwijl de RMS ruwheid van de 40 S 60 film was 5,8 nm ± 1.1 nm. De oppervlaktekwaliteit kan eventueel verder worden geoptimaliseerd door het afstemmen andere afzettingsparameters zoals werkafstand en stroomsnelheid. Echter, deze beginwaarden zijn acceptabel voor initiële studies naar mogelijke toepassing in optische inrichtingen 16.

Zoals verwacht, was het verschil in de brekingsindices van de twee samenstellingen bestudeerd, wat betekent dat een GRIN direct konden worden "gedrukt" door het gelijktijdig spuiten van de twee oplossingen, of door meerlagige structuren van de twee samenstellingen. De gemeten brekingsindices van de twee composities bestudeerd in dit artikel zijn vergelijkbaar met eerdere studies over gespincoat films met dezelfde samenstelling, waarbij Al 40 S 60 geeft de index van de corresponderende bulk glas, terwijl Ge 23 Sb 7 S 70 meestal onder de index van de overeenkomstige blijven bulk glas 1, 17. Er wordt momenteel gewerkt aan een effectieve GRIN coating aan te tonen door middel van de afzetting van meerlagige films, waarin de individuele composities hebben een lineaire verandering in de film dikte. Een lineair veranderende filmdikte of driehoekige dwarsdoorsnede film kan worden verkregen met 1-D beweging van de spray op het substraat. Het dekkingsgebied van de bekleding kan worden afgesteld door het variëren werkafstand, terwijl de helling van de filmdikte kan worden ingesteld door het variëren van het aantal passages of snelheid van de pas.

Electrospray kan continue productie 18, die een potentieel voordeel voor opschaling vergelekentraditionelere spin-coating en thermische verdamping CHG films, die discrete aard zijn. Bovendien gemodificeerde niet-uniforme dikte films zijn mogelijk met elektrospray, zodanig zijn dat een GRIN film rechtstreeks door afzetting van meerdere oplossingen met verschillende glassamenstellingen worden gedeponeerd. Dergelijke GRIN kan door deken bekleding van meerdere lagen van spincoating of thermische verdamping, maar dit zal waarschijnlijk een complex proces waarbij meerdere afzettingen van verschillende samenstellingen en maskeren van verschillende gebieden van het substraat. Er zijn echter enkele karakteristieken van electrospray. Bijvoorbeeld, debiet daarvan zeer laag met het gebruik van een enkele spuitmond, hoewel gemultiplexte spuitmondrijen zijn in andere materiaalsystemen aangetoond dat hogere doorvoer 18 toe. Bovendien kan de spray soms instabiel worden, wat leidt tot slechte filmkwaliteit. Dit werd waargenomen Door bevochtiging van het CHG-oplossing op het mondstuk worden surface, zodat wordt voorgesteld worden overwonnen door toepassing van een chemisch bestendige, hydrofobe bekleding aan het mondstuk oppervlak, zoals PTFE. In deze studies een Chg coating op de inktsproeiers waargenomen stabiliteit te bereiken, zoals beschreven in het hoofdstuk protocol.

Tot slot hebben we een aantal van de interessante voordelen van elektrospray voor CHG bewerken van films, met name de compatibiliteit met roll-to-roll verwerking, en de mogelijkheid om niet-uniforme dikte coatings door middel van gelokaliseerde afzettingen ingenieur aangetoond. Met verdere optimalisatie kan dit depositiemethode blijken gunstig voor de verwerking van mid-IR, microfotonische inrichtingen en verbetering van het ontwerp te zijn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats