Elektroabscheidung von einheitlicher Dicke 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
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Engineering

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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).

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Abstract

Lösungsbasierte Elektrosprüh Filmabscheidung, die mit einer kontinuierlichen kompatibel ist, Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung wird auf Chalkogenidgläser aufgetragen. Zwei Chalcogenid - Zusammensetzungen werden gezeigt: Ge 23 Sb 7 S 70 und As 40 S 60, die beide in großem Umfang für planare mittleren Infrarot (mid-IR) mikrophoto Geräte untersucht worden. Bei diesem Ansatz werden einheitliche Dicke Folien, die durch die Verwendung von CNC-gesteuerten (CNC) Bewegung hergestellt. Chalkogenidglas (CHG) durch eine einzelne Düse entlang eines Serpentinenpfad über das Substrat geschrieben. Filme wurden zwischen 100 ° C und 200 ° C unter Vakuum zu einer Reihe von Wärmebehandlungen unterzogen, um restliches Lösungsmittel auszutreiben und die Filme zu verdichten. Basierend auf Übertragung Fourier-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) transformieren und Rauheitsmessung Oberfläche wurden beide Mittel gefunden, für die Herstellung von planaren Vorrichtungen geeignet sein im mittleren IR-Bereich arbeitet. Das restliche LösungsmittelEntfernung wurde gefunden viel schneller für die As 40 S 60 Film zu sein im Vergleich zu Ge 23 Sb 7 S 70. Basierend auf den Vorteilen der Elektrosprüh wird direkten Drucken eines Gradienten Brechungsindex (GRIN) mid-IR transparenten Beschichtung vorgesehen, die Differenz im Brechungsindex der beiden Zusammensetzungen in dieser Studie gegeben.

Introduction

Chalcogenidgläser (CHGS) sind bekannt für ihre breiten Infrarot - Übertragung und Ansprechbarkeit auf einheitliche Dicke, Decke Filmabscheidung 1-3. On-Chip - Wellenleiter - Resonatoren, und anderen optischen Komponenten können dann aus diesem Film durch Lithographietechniken gebildet werden, und dann anschließende Polymerbeschichtung mikrophotoVorrichtungen 4-5 herzustellen. Eine wichtige Anwendung , die wir suchen , zu entwickeln , ist klein, preiswert, hochempfindliche chemische Sensorvorrichtungen im mittleren IR - Betrieb, in dem viele organische Spezies haben optische Signaturen 6. Mikrophotochemische Sensoren können in rauen Umgebungen, wie zum Beispiel in der Nähe von Kernreaktoren eingesetzt werden, wo die Einwirkung von Strahlung (Gamma- und Alpha) wahrscheinlich ist. Daher eine umfangreiche Untersuchung der Änderung der optischen Eigenschaften der ChG Elektrosprüh Materialien ist entscheidend und wird in einer anderen Arbeit berichtet werden. erst vor kurzem in diesem Artikel wird Elektrosprüh Filmabscheidung von CHGS gezeigt, wie es ein Verfahren ist,auf CHGS 7 angewendet.

Die bestehenden Filmabscheidungsverfahren können in zwei Klassen eingeteilt werden: Dampfabscheidungstechniken, wie beispielsweise thermische Verdampfung von Schütt ChG Targets und lösungs abgeleiteten Techniken, beispielsweise durch Spin-Beschichtung einer Lösung von ChG in einem Amin-Lösungsmittel gelöst. Im allgemeinen lösungs abgeleiteten Filme neigen dazu , in höheren Verlust des Lichtsignals zur Folge haben aufgrund des Vorhandenseins von restlichem Lösungsmittel in der Filmmatrix 3, die jedoch ein einzigartiger Vorteil der Lösung abgeleiteten Techniken über Dampfabscheidung ist die einfache Einarbeitung von Nanopartikeln (zB Quantenpunkte oder QD) vor dem Spin-Coating 8-10. Jedoch Aggregation von Nanopartikeln wurde in spinnbeschichteten Filme 10 beobachtet. Darüber hinaus, während vapor deposition und spin-coating Ansätze zur Bildung von gleichmäßiger Dicke, Decke Folien gut geeignet sind, sie eignen sich nicht gut lokalisierte Abscheidungen oder künstlich ungleichmäßiger Dicke Filme. Furthermore, Scale-up von Spin-Beschichtung ist wegen der hohen Materialabfall schwierig aufgrund Läufe aus dem Substrat, und weil es nicht ein kontinuierlicher Prozess 11.

Um einige der Einschränkungen der aktuellen ChG Filmabscheidungstechniken zu überwinden, haben wir die Anwendung von Elektrosprüh zum ChG Materialsystem untersucht. In diesem Verfahren kann ein Aerosolspray des ChG Lösung gebildet werden , indem ein elektrisches Hochspannungsfeld 7 angelegt wird . Weil es ein kontinuierliches Verfahren ist, das mit Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung, in der Nähe von 100% Verwendung von Material kompatibel ist möglich, was ein Vorteil gegenüber Spin-Beschichtung ist. Darüber hinaus haben wir vorgeschlagen, dass die Isolierung von einzelnen QD in den einzelnen ChG Aerosoltröpfchen besser QD Dispersion führen könnte aufgrund der geladenen Tröpfchen durch Coulomb-Abstoßung räumlich selbst-dispergierenden ist, kombiniert mit den schnelleren Trocknungs Kinetik der hohen Oberfläche Tröpfchen dass die Bewegung von QD minimieren aufgrund derErhöhung der Viskosität der Tröpfchen , während im Flug 7, 12. Schließlich lokalisierte Ablagerung von Vorteil ist , die GRIN - Beschichtungen verwendet werden können , zu fertigen. Erkundungen sowohl QD Einbau und GRIN Herstellung von ChG mit Elektro sind derzeit im Gange als einem zukünftigen Artikel eingereicht werden.

In dieser Veröffentlichung wird die Flexibilität der Elektrosprüh von beiden lokalisierte Abscheidungen und gleichmäßiger Dicke Filme gezeigt. Um die Eignung der Folien für planare photonische Anwendungen untersuchen, Übertragung Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR) -Spektroskopie, Oberflächenqualität, Dicke und Brechungsindexmessungen genutzt werden.

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Protocol

Achtung: Bitte wenden Sie Sicherheitsdatenblätter (MSDS), wenn sie mit diesen Chemikalien zu arbeiten, und beachten Sie die anderen Gefahren wie Hochspannung, mechanische Bewegung des Abscheidungssystem und hohen Temperaturen der Heizplatte und Öfen verwendet.

Hinweis: Beginnen Sie dieses Protokoll mit Masse Chalkogenidglas, das 2 durch bekannte Schmelz-Quench - Verfahren hergestellt wird.

1. Herstellung von Lösungen ChG

Anmerkung: Zwei Lösungen verwendet werden , die in dieser Studie, Ge 23 Sb 7 S 70 und As 40 S 60, sowohl in gelöstem Ethanolamin in einer Konzentration von 0,05 g / ml. Die Herstellung der beiden Lösungen identisch sind. Führen Sie alle Schritte in diesem Abschnitt innerhalb einer Dunstabzugshaube.

  1. Crush the bulk Glas in ein feines Pulver mit einem Mörser und Stößel.
  2. Mischungs 0,25 g des Glases mit 5 ml Ethanollösungsmittels.
  3. Lassen Sie 1-2 Tage für eine vollständige Auflösung vondas Glas. Expedite Auflösung, indem die Lösung auf einer Heizplatte mit einer Oberflächentemperatur von ca. 50-75 ° C erhitzt wird. Erhöhen die Auflösungsgeschwindigkeit durch Rühren der Mischung, beispielsweise mit einem magnetischen Rührstab.
  4. Filterlösung in ein Vial mit 0,45 um Polytetrafluorethylen (PTFE) Filter keine große Präzipitate aus der Lösung zu entfernen.

2. Einstellen des Abscheidungsprozesses auf

Anmerkung: Die Elektrosprüh - Abscheidungssystem ist schematisch in Abbildung 1 In diesem Verfahren wird eine 50 & mgr; l Glasspritze mit PTFE-tipped Plunger genutzt wird.. Die Spritze ist eine abnehmbare Nadel der Art mit einem kegel gekippt, 22-Gauge-Nadel Außendurchmesser (0,72 mm Außendurchmesser, 0,17 mm Innendurchmesser), und ist mit dem vertikal ausgerichteten Spritzenpumpe der Elektroanlage angeschlossen. Das Elektrosystem ist in diesen ersten Experimenten zur Umgebungsatmosphäre ausgesetzt, obwohl das System Set-up innerhalb einer Glovebox. Das System sollte set-up in einer Stelle, wo es von dem Benutzer, beispielsweise ein Laborabzug isoliert ist.

  1. Das Ende der Nadel in die ChG Lösung. Zeichnen Sie die Lösung in die Spritze durch die Spritzenpumpe in Extrakt Modus mit einer langsamen Geschwindigkeit einstellen, beispielsweise 150 & mgr; l / h, um die Bildung von Blasen zu verhindern.
  2. Stellen Sie den Arbeitsabstand (10 mm in diesem Fall) zwischen dem Ende der Düse und der Oberseite des Si-Substrats von der CNC in manuellen Bewegung Modus. Platzieren Sie den Si-Substrat, das undotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 10.000 Ohm-cm, auf eine Aluminiumplatte mit der Stromversorgung Erdrückleitung geschaltet.
  3. Erlauben ein kleines Volumen der Flüssigkeit zur Beschichtung der Außenfläche der Düse durch eine Flüssigkeit aus der Spritze Abgabe der Spritzenpumpe verwendet wird. Drehen Heizplatte auf bei einer Oberflächentemperatur von etwa 75-100 ° C. Warten für ~ 2 h ein Film aus Glas zu ermöglichen, sich auf der Düsenoberfläche zu trocknen. Diese Beschichtung unterstützt die Stabilität des Sprühnebels.

3. Elektroabscheidungvon ChG Films

  1. Schließen Sie den Gleichstrom (DC) Stromversorgung an der Spritze Düse mit einem elektrischen Clip.
  2. Durchflussrate einstellen bei 10 & mgr; l / h und Melodie Gleichspannung einen stabilen Taylor-Konus (bei 10 mm Arbeitsabstand ~ 4 kV) zu bilden. Sehen Sie das Spray mit hoher Vergrößerung Kamera.
  3. Beginnen CNC Bewegung des Sprühnebels über die Substratfilm abzuscheiden, sobald die Spritz stabil ist.
    1. Verwenden Sie einen Serpentinenweg für eine gleichmäßige Dicke oder eindimensionalen (1-D) geht für eine lineare Dickenprofil.
    2. Verwendung gelangt mit einem Abstand größer als die Breite des Substrats ist, so dass die Spritz bewegt sich vollständig von dem Substrat ab, bevor der nächste Durchlauf zu machen. Dies geschieht so, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit die gleiche an jedem Punkt auf dem Substrat ist.
    3. Steuern Sie die CNC LinuxCNC Software. Ein Beispiel die ergänzenden G-Code für einen Serpentinenweg mit 0,5 mm zwischen den Durchgängen versetzt, Geschwindigkeit von 20 mm / min und 30 mm Länge der Pässe. Abbildung 1
  4. Unterwerfen der abgeschiedene Film mit einer Reihe von Wärmebehandlungen unter Vakuum für 1 Stunde jeweils bei 100, 125, 150 und 175 ° C und 16 h bei 200 ° C. Eine Optimierung der Parameter der Wärmebehandlung wird im Repräsentative Ergebnisse Abschnitt dieses Artikels dargestellt.

4. Charakterisierung der ChG Films

  1. Charakterisierung von Restlösungsmittelentfernung
    1. Nehmen Sie eine Übertragung FTIR-Spektrum periodisch während der Glühbedingungen, der gleichen Stelle auf der Probe bei jeder Messung. Zeichnen Sie einen Umriss des Substrats auf der Probenbühne, und legen Sie es jedes Mal innerhalb dieser Kontur eine Messung durchgeführt wird.
      1. In der FTIR - Software, klicken Sie auf "Experiment Setup" und geben Sie die Anzahl der Scans als 64. Klicken Sie auf die "Bank" Registerkarte und geben Sie den Scan - Bereich als 7.000 cm -1 bis 500 cm -1. Nehmen Sie einen Hintergrund - Scan nur mit dem Probentisch im Gerät durch einen Klick auf "Collect Hintergrund." Dann legen Sie die Probe auf der Bühne, und klicken Sie auf "Collect Probe" das Spektrum der Probe zu nehmen.
    2. Um die Entfernung des Lösungsmittels verfolgen, schätzen die Größe der organischen Absorptionen in der Filmmatrix. In der FTIR - Software, eine Basis im Spektralbereich von Interesse zu zeichnen, etwa 2,300-3,600 cm -1. Die Software berechnet die Fläche unter dem Transmissionsspektrum der Probe, bezogen auf die Grundlinie durch den Benutzer bestimmt.
  2. Die Messung der Schichtdicke
    1. Rubbeln Sie den Film mit feinen Spitze Pinzette, bis die dunkle Substrat unter den helleren Film sichtbar wird, die in der Regel in ein Kratzen Bewegung mit leichtem Druck auftritt. Entfernen Sie die Ablagerungen, die durch mit komprimiertem Stickstoff zu kratzen.
      1. Messen Sie die Dicke der Decke Filme durch einen Kontakt Profilometerzu bestimmen, aus Folie, die die Stufenhöhe auf das Substrat. Öffnen Sie "Measurement Setup" und geben Sie in Scangeschwindigkeit von 0,1 mm / sec, und Scanlänge von 500 & mgr; m.
      2. Wägegut auf der Bühne, die Kratz Lokalisieren und Drehen der Probe, so dass der Kratzer in der Links-Rechts-Richtung ausgerichtet ist. Bewegen Sie die Bühne, so dass das Fadenkreuz knapp unter dem Grund auf neu sind, und beginnen, die Oberflächen-Scan, indem Sie auf "Messen".
      3. Sobald der Scan beendet ist, ziehen Sie den R- und M-Cursor so, dass sie sowohl auf der Filmoberfläche sind, und klicken Sie auf "Stufe Zwei Punkt Linear", um das Oberflächenprofil zu nivellieren. Bewegen Sie einen Cursor auf dem Boden der Kratzer, und notieren Sie den Abstand zwischen den Cursor-Position in der y-Dimension. Measure Dicke an mehreren Stellen eine durchschnittliche Dicke und die Varianz in den Daten zu erhalten.
    2. Bestimmung der Dickenprofile der nicht-gleichförmigen Dicke Filme durch Abtasten des Profilometers über die gesamte Folie (senkrecht zur 1-D Bewegung verwendet, um den Film zu deponieren) und verwenden diese Oberflächenprofil eine graphische Darstellung der Schichtdicke gegenüber der Position zu schaffen.
      1. Scannen über den gesamten Film durch eine geeignete Abtastlänge größer als die Breite des Films eintritt, in der Regel 10-20 mm, in "Measurement Setup". Platzieren das Fadenkreuz auf unbeschichteten Substrat auf einer Seite der Folie und auf "Measurement", so dass die Profilometer den Scan auf unbeschichteten Substrat auf der anderen Seite der Folie zu vervollständigen. Rechtsklick auf das Oberflächenprofil und Export als CSV-Datei.
      2. Alternativ kann, wenn das Substrat nicht flach genug ist zuverlässig Dickendaten zu erhalten, kratzen die Folie nach unten auf das Substrat mit etwa 1 mm zwischen Kratzern und Scan-Profilometer auf gesamten Film. Schreiben Sie die Dicke nach unten und horizontale Position bei jeder Kratzer, und erstellen Sie aus diesen Datenpunkten eine graphische Darstellung der Schichtdicke gegenüber der Position.
  3. Messen Sie Oberflächenrauhigkeit mit einem Weißlicht-Interferometer13. Stellen Sie den Fokus und Bühnen Neigung zu Interferenzstreifen über den gesamten Messbereich erzeugen, die in diesem Fall war 414 um x 414 um das 5 - fach Ziel verwenden. Nehmen fünf Messungen für die gleichmäßige Filmdicke, die durchschnittliche Rauhigkeit und der Varianz der Daten zu bestimmen.
  4. Messung des Brechungsindex mit einem Ellipsometer 14 im Bereich von 600-1,700 nm Wellenlänge. In diesem Fall ist ein Einfallswinkel von 60 °, die Verwendung und den Strahl auf eine Punktgrße von 35 um konzentriert.
    1. Nehmen einer Messung an dem unbeschichteten Substrat, Anpassen der Daten, die Dicke der nativen Oxidschicht zu bestimmen. Verwenden Sie diese Informationen, um die Probe als drei Schichtsystem zu modellieren: Si-Wafer + native Oxid + abgeschiedenen Films. Nehmen acht Messungen an verschiedenen Stellen auf der Probe mit dem mittleren Brechungsindex und der Varianz, um zu bestimmen, während das Cauchy-Modell unter Verwendung der Daten zu passen.

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Representative Results

Eine schematische Darstellung der Serpentinenbahn gleichmäßiger Dicke Filme mit einzelnen Düse Elektrosprüh zu erhalten verwendet wird in Abbildung 2 dargestellt. 3 zeigt ein beispielhaftes Getriebe FTIR - Spektrum eines teilweise ausgehärteten As 40 S 60 - Film mit Serpentinenbewegung des Sprühnebels aus, wie auch das Spektrum der reinen Ethanollösungsmittels. Aus der Information, die eine solche aus dem FTIR - Spektren erhalten werden kann , wie in 3 gezeigt ist , Figur 4 zeigt die Entwicklung des Lösungsmittels während der Wärmebehandlung von gleichmäßiger Dicke Ge 23 Sb 7 S 70 und S 60 As 40 Filme. Entfernen des Lösungsmittels ist eine Schlüsselkomponente der lösungsbasierten ChG Filmverarbeitung. Dies ist vor allem, weil die Anwesenheit von Restlösungsmittel verursacht Absorptionsverlust von Licht in der vorgesehenen Vorrichtungsbetriebsbereich im mittleren IR. Daher ist die Verwendung von ÜbertragungsFTIR-Spektroskopie ist eine Metrik, die die Wärmebehandlungsbedingungen zu optimieren, verwendet werden können, die zu einer minimalen Konzentration von restlichem Lösungsmittel führen, und zeigt die Verarbeitungsbedingungen, die zu minimalen Lichtverlust führen kann. Film Ursachen Oberflächenrauhigkeit Streuverlust von Licht, das so Messung ist auch nützlich, um die Verarbeitungsbedingungen für minimalen Verlust zu optimieren. Es sollte jedoch, dass ein echter Verlust Messung besteht aus dem Film hergestellt, in dem Film oder der Wellenleiter von Kopplungslicht zu beachten, eine lange Pfadlänge in der Größenordnung von cm zu ermöglichen. Zusätzlich zum Verlust zu verstehen, ist es auch wichtig, den Brechungsindex des Films für die optische Gestaltung der Vorrichtung zu verstehen. Brechungsindex - Streuung der Filme nach dem alle Wärmebehandlungen wurden abgeschlossen ist in 5 gezeigt. Diese Messung kann auf der der entsprechenden Glasmasse durch den Vergleich der Filmbrechungsindex analysiert. Der Brechungsindex eines ChG Folie variiert im allgemeinen zu einem gewissen Grad from der entsprechenden bulk Glas und diese Variation ein Ergebnis von Unterschieden in der strukturellen Anordnung der Atome sein können, Zusammensetzungsänderungen aufgrund des Abscheidungsprozesses oder Verflüchtigung während der Wärmebehandlung. Im Falle der Lösungspolymerisation abgeleiteten Filme, der Brechungsindex ändert sich auch während der Wärmebehandlungen, wie Lösungsmittels entfernt wird und der Film verdichtet.

Schließlich zeigt 6 die Dickenprofile mit 1-D Bewegung der Spritz abgeschiedenen Filme. In diesem Fall verringert sich die Dicke linear von der Mittellinie des Films. Bei Messungen der Variation der Filmdicke, die räumliche Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Spritz verstanden werden kann, so dass eine gewünschte Struktur entwickelt werden. 7 zeigt Fotografien der hergestellten Filme mit Serpentinen und 1-D Bewegung des Spritz Referenz. Im Allgemeinen visuelle Analyse der Filme kann durch Beobachtung der Auswirkungen von optischer Interferenz gemacht werden. ichn dieser zweischichtigen Film + Substratsystem, Regionen von gleichmäßiger Dicke auftreten, die gleiche Farbe sein (unter der Annahme, dass der Brechungsindex konstant bleibt).

Abbildung 1
Abb . 1: Schematische Darstellung der Elektroabscheidungssystem Dieses Schema zeigt alle Schlüsselkomponenten für das System, mit Ausnahme der CNC - Maschine. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2: Schematische Darstellung der CNC-gesteuerten Serpentinenweg einheitliche Dicke Filme zu erhalten Das Spray zu Beginn der Abscheidung dargestellt wird, die dann anschließend aus verfolgt.der Pfad durch die Pfeile angedeutet ist. Die ungefähre resultierende Schichtdickenprofil wird auf der rechten Seite des Substrats gezeigt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abb . 3: Vergleich von Infrarot - Transmissionsspektren von reinem Ethanollösungsmittels , um teilweise ausgehärteten As 40 S 60 Film Das Lösungsmittel wird mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR) gemessen wird , und der Film wird in Transmission durch Film- und Si - Substrat gemessen. Der primäre Spektralbereich von Interesse sind die Absorptionen aufgrund des Vorhandenseins von Restethanollösungsmittels in der Filmmatrix bei ~ 2,300-3,600 cm -1 Wellenzahl. Eine gerade Basislinie ist in diesem Bereich gezogen und der integNennbereich unterhalb des Absorptionen relativ zu dieser Grundlinie , um berechnet die Entfernung von Restlösemittel aus dem Film Matrix zu verfolgen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4:. Grundstück des integrierten Fläche unter Restlösungsmittel Absorptionen Der Bereich aus dem Bereich von ~ 2,300-3,600 cm -1 von der Übertragung FTIR Spektren von einheitlicher Dicke Ge 23 Sb 7 S 70 (a) und As 40 S 60 aufgenommen wird ( b) im gesamten Vakuumwärmebehandlung der Proben. Das Temperaturprofil der Wärmebehandlung wird durch die gestrichelte blaue Linie, und die theoretische Schichtdicke ist durch die gestrichelte graue Linie gegeben gegeben, die vorhergesagt wurdeunter Verwendung von Gleichung 1 Die Daten in diesen Figuren ist von sequentiellen Wärmebehandlung und periodische Charakterisierung der gleichen Proben. Die Fehlerbalken auf Filmdicke sind ± eine Standardabweichung der fünf Messungen, während die Fehlerbalken auf Lösungsmittel - Peak - Bereich sind ± 5%, was die ungefähre Abweichung von dieser Methode. Gefunden Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version zu sehen diese Figur.

Abbildung 5
Abbildung 5: Brechungsindex von einheitlicher Dicke elektrogesprüht Filme. Diese Daten wurden durch Ellipsometrie und fit mit dem Cauchy-Modell gemessen. Die Ge 23 Sb 70 S 7 - Film wurde für 20 Stunden getempert gemäß Figur 3, und hat eine Dicke von ca. 410 nm. Die As 40 S 60 Film war ein lso 20 h getempert gemäß 4, und hat eine Dicke von ca. 200 nm. Die Fehlerbalken sind ± eine Standardabweichung der Messungen an acht verschiedenen Probenorten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6: Dickenprofile aus Folien mit 1-D Bewegung des Sprühnebels, was zu einer sich linear ändernden Filmdicke Arbeitsabstand variiert wird, während die Durchflussrate bei 10 & mgr; l / h festgelegt ist, und die Geschwindigkeit des Sprühnebels auf dem Substrat fixiert ist. bei 1 mm / min. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 7:. Fotografien von Filmen mit Serpentinenweg gemacht (links, 10 mm Arbeitsabstand) und 1-D Bewegung (rechts, 5 mm Arbeitsabstand) Für die mit 1-D - Bewegung machte Filme, war die Anzahl der Durchgänge 8, 10, 12 und 6, von links nach rechts. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Zusatzcode. Beispiel G-Code für Serpentinenpfad genutzt erlaubt Dieser Code Bewegung der Düse in einem Serpentinenweg mit einer Geschwindigkeit von 20 mm / min, 30 mm Abstand von jedem Durchgang und 0,5 mm zwischen jedem Durchlauf versetzt. Bitte klicken Sie hier , um die diese Datei herunterladen.

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Discussion

Zu Beginn einer einheitlichen Filmdicke mit Serpentin Bewegung des Spritz relativ zu dem Substrat abgeschieden wird, wird die Filmdickenprofil zu erhöhen. Sobald der Abstand in der y-Richtung durchfahren, den Durchmesser des Sprühnebels übersteigt (bei der Ankunft am Substrat), wird die Durchflussrate für jeden Punkt auf dem Substrat ungefähr äquivalent und Dickengleichmäßigkeit erzielt wird. Um die entsprechenden Abscheidungsparameter von einer gleichmäßigen Dicke elektrogesprüht Film, theoretische Filmdicke T zu bestimmen, wird verwendet. Dies ist gegeben durch Gleichung 1, die von den Abscheidungsparametern , die in Tabelle 1 abgeleitet ist.

Gleichung 1
Gleichung 1

In dieser Abschätzung der theoretischen Dicke Filme werden angenommen mit der gleichen Dichte wie das Glas bulk vollständig ausgehärtet zu werden, wie es für die Folien ideal istnähern sich die Eigenschaften der entsprechenden Glasmasse. diese Abschätzung verwendet, ist in der Optimierung der Wärmebehandlungen zur Entfernung des Lösungsmittels und vollständige Verdichtung der Schichten daher nützlich, so dass bulk Glaseigenschaften, wie beispielsweise Brechungsindex, angefahren werden kann. Lösungsmittelentfernung ist äußerst wichtig , so dass die Folien durchlässig wie möglich in der mittleren IR - Bereich liegen, da das Vorhandensein von Restlösungsmittel zu Absorptionsverlust von Licht durch das Material führen kann. Die Figuren 3 und 4 zeigen die Wärmebehandlungs Optimierungen von Ge 23 Sb 7 S 70 und As 40 S 60, beziehungsweise. Verlängert Vakuum bei 200 ° C (die maximale Temperatur des Ofens) Einbrennen für 16 Stunden notwendig ist , die Grße der Lösungsmittelabsorptionspeaks in der Ge 23 Sb 7 S 70 Filmmatrix zu minimieren, während ähnliche Spitzengrößen beobachtet werden in der As 40 S 60 Film nach ~ 7 Std. Ebenso wurde gefunden, thbei As 40 S 60 nähert sich theoretische Dicke nach ~ 7 h Vakuumbacken und wird dünner als der theoretische Wert mit erweiterten Glühen, während Ge 23 Sb 7 S 70 deutlich dicker als der theoretische Wert trotz erweiterter Wärmebehandlungen bleibt. Wenn ein Film dicker als der theoretische Wert ist, zeigt dies an, wahrscheinlich, dass es enthält Porosität und / oder Restlösungsmittel. Wenn ein Film dünner als der theoretische Wert ist, ist die wahrscheinlichste Erklärung, dass einige Material verflüchtigt hat und möglicherweise Stöchiometrie als Folge geändert, um die gezielte optische Eigenschaften zu beeinflussen. Die Dickendaten dargestellt sind Mittelwerte aus fünf Messungen über einen geräte relevanten Bereich von etwa 1 cm 2, und die relativ kleinen Fehlerbalken auf die Dickenmessungen bestätigt , dass der Serpentinenpfad um gute Gleichmäßigkeit der Dicke führt.

Neben einer Lösungsmittelentfernung, Filmoberflächenrauigkeit minimiert ist also sehr wichtig, um den Verlust von Licht durch das Material zu minimieren. Es wurde zuvor gezeigt , dass die Oberflächenrauhigkeit auf Wellenleitern Streulichtverlust 15 führen kann. Die mittlere quadratische (RMS) Rauheit der Ge 23 Sb 7 S 70 Film nach 20 h Vakuumbacken betrug 2,5 nm 1,0 nm ±, während der RMS - Rauhigkeit des As 40 S 60 Film 5.8 nm 1,1 nm ±. Die Oberflächenqualität könnte möglicherweise weiter optimiert werden, indem andere Abscheidungsparameter Abstimmung, wie Arbeitsabstand und Strömungsgeschwindigkeit. Jedoch sind diese Anfangswerte akzeptabel für anfängliche Untersuchungen über mögliche Verwendung in optischen Vorrichtungen 16.

Wie erwartet, wurden Unterschiede in den Brechungsindizes der beiden Zusammensetzungen untersucht beobachtet, was bedeutet, dass eine GRIN direkt "gedruckt" werden kann durch gleichzeitige Sprüht der beiden Lösungen, oder durch Mehrschichtstrukturen der beiden Zusammensetzungen. Die gemessenen Brechungsindizes der beiden comin diesem Artikel untersuchten Positionen sind ähnlich zu früheren Studien über Spin-beschichtete Folien der gleichen Zusammensetzung, wobei As 40 S 60 den Index des entsprechenden Glasmasse nähert, während Ge 23 Sb 7 S 70 unter dem Index des entsprechenden bleiben neigt bulk Glas 1, 17. derzeit wird eine wirksame GRIN Beschichtung durch die Abscheidung von Mehrschichtfolien zu zeigen, wobei die einzelnen Zusammensetzungen , die eine lineare Änderung in der Filmdicke aufweisen. Eine linear ändernde Filmdicke, oder dreieckig geformten Folienquerschnitt auf, kann mit 1-D Bewegung des Sprühnebels auf dem Substrat erhalten werden. Der Abdeckungsbereich der Beschichtung durch Variieren Arbeitsabstand eingestellt werden, während die Neigung der Filmdicke kann durch Verändern der Anzahl von Durchgängen oder die Geschwindigkeit des Durchlaufs eingestellt werden.

Elektro ist geeignet zur kontinuierlichen Herstellung von 18, die ein potenzieller Vorteil für Scale-up im Vergleich zutraditionelleren spin-coating und die thermische Verdampfung von ChG Filme, die in der Natur diskret sind. Zusätzlich dazu entworfen sind ungleichmäßiger Dicke Filme möglich mit Elektrospray, wie eine GRIN Film zu ermöglichen, direkt durch Abscheidung von mehreren Lösungen mit verschiedenen Glaszusammensetzungen abgeschieden werden. Solch ein GRIN durch blanket Beschichtung aus mehreren Schichten von spin-coating oder thermische Verdampfung erreicht werden könnte, aber dies wäre ein komplexer Prozess, der mehrere Abscheidungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Maskieren von verschiedenen Bereichen des Substrats wahrscheinlich. Allerdings gibt es einige aktuelle Einschränkungen von Elektro. Zum Beispiel wird der Durchsatz mit der Verwendung einer einzigen Düse sehr gering, obwohl gemultiplexten Düsenanordnungen haben in anderen Materialsystemen gezeigt worden , um einen höheren Durchsatz 18 ermöglichen. Darüber hinaus kann das Spray manchmal instabil werden, zu einer schlechten Filmqualität führt. Dies wurde beobachtet, ein Ergebnis der Benetzung der ChG Lösung bis die Düse surfac seine, so wird vorgeschlagen, durch Anwendung eines chemisch beständigen, hydrophoben Beschichtung auf der Düsenoberfläche, wie beispielsweise PTFE zu überwinden. In diesen Studien wurde eine ChG Beschichtung auf der Düsenoberfläche beobachtet Stabilität zu verbessern, wie in dem Protokoll beschrieben.

Abschließend haben wir einige interessante Vorteile von Elektro für ChG Filmverarbeitung, insbesondere die Kompatibilität mit Roll-to-Roll-Verarbeitung und die Möglichkeit zu konstruieren ungleichmäßiger Dicke Beschichtungen durch lokalisierte Ablagerungen demonstriert. Mit weiteren Optimierung könnte dieser Ablagerungsverfahren erweisen für die Verarbeitung von mid-IR, mikrophoto Geräte und Verbesserung ihrer Konstruktion vorteilhaft.

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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

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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).

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