Electropulverización La deposición de espesor uniforme Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; Y As<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; calcogenura las películas de cristal

Resumen

A method of uniform thickness solution-derived chalcogenide glass film deposition is demonstrated using computer numerical controlled motion of a single-nozzle electrospray.

Resumen

basado en soluciones de deposición de película electrospray, que es compatible con, el procesamiento continuo de rollo a rollo, se aplica a vidrios. Dos composiciones calcogenuros se demuestran: Ge Sb _{7 23 70} S y ₄₀ S A medida _60, que ambos se han estudiado ampliamente para mediados de infrarrojos (IR) a mediados de los dispositivos microphotonic planas. En este enfoque, las películas de espesor uniforme se fabrican mediante el uso de movimiento controlado numérico por computadora (CNC). Calcogenuros de vidrio (CHG) está escrito sobre el sustrato por una sola boquilla a lo largo de una trayectoria de serpentina. Las películas se sometieron a una serie de tratamientos térmicos entre 100 ° C y 200 ° C bajo vacío para eliminar el disolvente residual y densificar las películas. Sobre la base de Fourier de transmisión de espectroscopía infrarroja por transformada (FTIR) y las mediciones de rugosidad de la superficie, se encontró que ambas composiciones para ser adecuado para la fabricación de dispositivos planares que operan en la región mid-IR. El disolvente residualSe observó que la retirada sea mucho más rápido para la medida ₄₀ S ₆₀ la película, en comparación con ₂₃ Ge Sb ₇ S _70. Sobre la base de las ventajas de electrospray, impresión directa de un revestimiento transparente gradiente de índice de refracción (GRIN) mid-IR se prevé, dada la diferencia de índice de refracción de las dos composiciones en este estudio.

Introducción

Vidrios calcogenuros (CHGS) son bien conocidos por su amplia transmisión por infrarrojos y receptividad en materia de espesor uniforme, manta de deposición de película ^1-3. Guías de ondas en el chip, resonadores, y otros componentes ópticos se pueden formar a partir de esta película por técnicas de litografía, y luego recubrimiento de polímero posterior para fabricar dispositivos microphotonic ^4-5. Una de las aplicaciones clave que buscamos desarrollar dispositivos es pequeño, barato, de alta sensibilidad de detección química que operan en el infrarrojo medio, donde muchas especies orgánicas tienen firmas ópticas ^6. sensores químicos Microphotonic se pueden implementar en entornos difíciles, como cerca de los reactores nucleares, donde es probable que la exposición a la radiación (gamma y alfa). Por lo tanto, un amplio estudio de la modificación de las propiedades ópticas de los materiales electrospray CHG es crítica y se informará en otro papel. En este artículo, deposición de película electrospray de CHGS se exhibe, ya que es un método sólo recientementeaplicada a CHGS ^7.

Los métodos de deposición de película existentes se pueden clasificar en dos clases: las técnicas de deposición de vapor, tales como la evaporación térmica de objetivos CHG mayor, y técnicas de solución derivado, tales como por recubrimiento por rotación una solución de ChG disuelto en un disolvente de amina. Generalmente, las películas de soluciones derivadas tienden a resultar en una mayor pérdida de la señal de la luz debido a la presencia de disolvente residual en la matriz de la película ^3, pero una ventaja única de técnicas de solución derivada de más de deposición de vapor es la simple incorporación de nanopartículas (por ejemplo, puntos cuánticos o puntos cuánticos) antes de spin-coating ^8-10. Sin embargo, la agregación de las nanopartículas se ha observado en las películas mediante revestimiento por centrifugación ^10. Además, mientras que los enfoques de deposición y spin-recubrimiento en fase vapor están bien adaptados a la formación de un espesor uniforme, las películas de manta, que no se prestan bien a deposiciones localizadas, o películas de espesor no uniforme de ingeniería. Furthermore, ampliación de spin-revestimiento es difícil a causa de los residuos de alta material debido a la escorrentía del sustrato, y porque no es un proceso continuo ^11.

Con el fin de superar algunas de las limitaciones de las técnicas actuales de deposición de película CHG, hemos investigado la aplicación de electrospray en el sistema de materiales de CHG. En este proceso, un pulverizador de aerosol se puede formar de la solución ChG mediante la aplicación de un campo eléctrico de alta tensión ^7. Debido a que es un proceso continuo que es compatible con el procesamiento de rollo a rollo, el uso casi el 100% del material es posible, lo cual es una ventaja sobre spin-coating. Además, hemos propuesto que el aislamiento de los puntos cuánticos individuales en las gotitas ChG aerosol individuales podría conducir a una mejor dispersión QD, debido a las gotitas cargadas de ser espacialmente auto-dispersante por repulsión de Coulomb, combinado con la cinética de secado más rápido de las gotitas de gran superficie que reduzcan al mínimo el movimiento de los puntos cuánticos debido a laaumento de la viscosidad de las gotas, mientras que en vuelo ^{7, 12.} Por último, la deposición localizada es una ventaja que puede ser utilizado para fabricar recubrimientos sonrisa. Exploraciones de ambos incorporación QD y fabricación de GRIN ChG con electrospray están actualmente en curso para ser presentado como un artículo futuro.

En esta publicación, la flexibilidad de electrospray se demuestra por ambas deposiciones localizadas y películas espesor uniforme. Para investigar la idoneidad de las películas para aplicaciones fotónicas planas, la transmisión de espectroscopía infrarroja por transformada de fourier (FTIR), calidad de superficie, grosor, y se utilizan mediciones de índice de refracción.

Protocolo

Precaución: Por favor, consulte las Hojas de Datos de Seguridad (MSDS) cuando se trabaja con estos productos químicos, y ser consciente de los otros peligros tales como alta tensión, movimiento mecánico del sistema de deposición, y las altas temperaturas de la zona de cocción y hornos utilizados.

Nota: Comience este protocolo con el vidrio calcogenura mayor, que se prepara mediante técnicas bien conocidas por fusión de enfriamiento ^2.

1. Preparación de Soluciones CHG

Nota: Dos soluciones se utilizan en este estudio, Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ y S _{60 40} Como, ambos disueltos en etanolamina a una concentración de 0,05 g / ml. La preparación de las dos soluciones son idénticos. Realizar todos los pasos en esta sección dentro de una campana de humos.

1. Triturar el vidrio a granel en un polvo fino usando un mortero y mano de mortero.
2. Mezclar 0,25 g del cristal con 5 ml de disolvente etanolamina.
3. Permita 1-2 días para la completa disolución deel cristal. Acelerar la disolución por calentamiento de la solución sobre una placa caliente con una temperatura superficial de 50 a 75 ~ ° C. Aumentar la velocidad de disolución por agitación de la mezcla, tal como con una barra de agitación magnética.
4. Filtrar la solución en un vial con 0,45 micras de politetrafluoroetileno de filtro (PTFE) para eliminar cualquier precipitado grandes de la solución.

2. Configuración del proceso de deposición

Nota: El sistema de deposición de electrospray se representa esquemáticamente en la Figura 1 En este proceso, se utiliza una jeringa de vidrio de 50 l con el émbolo con punta de PTFE.. La jeringa es un estilo de aguja extraíble con una aguja de calibre 22 de diámetro exterior (diámetro exterior 0,72 mm, 0,17 mm de diámetro interior) del cono de punta, y está conectado a la bomba de jeringa de orientación vertical del sistema de electrospray. El sistema de electrospray se expone a la atmósfera ambiente en estos experimentos iniciales, aunque el sistema está configurado plano en el interior de una caja de guantes. El sistema debe ser set-up en una ubicación en la que está aislado del usuario, tal como una campana de humos.

1. Coloque el extremo de la aguja en la solución Var. Dibujar la solución en la jeringa mediante el establecimiento de la bomba de jeringa en el modo de extracto a una velocidad lenta, como 150 l / hr, para evitar la formación de burbujas.
2. Establecer la distancia de trabajo (10 mm en este caso) entre el final de la boquilla y la parte superior del sustrato de Si mediante el uso de la CNC en el modo de movimiento manual. Coloque el sustrato de Si, que es no dopado y tiene una resistividad de 10.000 Ohm-cm, sobre una placa de aluminio conectada al retorno a tierra fuente de alimentación.
3. Permitir un pequeño volumen de líquido para recubrir la superficie exterior de la boquilla mediante la supresión de un poco de líquido de la jeringa utilizando la bomba de jeringa. Girar placa caliente a una temperatura en superficie de aproximadamente 75 a 100 ° C. Espere a ~ 2 horas para permitir que una película de vidrio que se seque sobre la superficie de la boquilla. Este recubrimiento ayuda a la estabilidad de la pulverización.

3. Deposición electrosprayPelículas de CHG

1. Conectar el (DC) de fuente de alimentación de corriente continua a la boquilla de la jeringa con una pinza eléctrica.
2. caudal fijado en el 10 l hr, y ajustar la tensión / DC para formar un cono de Taylor estable (~ 4 kV a 10 mm de distancia de trabajo). Ver el aerosol con una cámara de alta magnificación.
3. Iniciar CNC movimiento de la pulverización sobre el sustrato para depositar la película, una vez que el aerosol es estable.
   1. Utilice una trayectoria de serpentina para un espesor uniforme, o unidimensional (1-D) que pasa por un perfil de espesor lineal.
   2. Uso pasa con una distancia más larga que la anchura del sustrato, de manera que el aerosol se mueve completamente fuera del sustrato antes de hacer la siguiente pasada. Esto se hace de manera que la velocidad de flujo de líquido es la misma en todos los puntos sobre el sustrato.
   3. Controlar el uso de software CNC LinuxCNC. Para un ejemplo, utilizar el complementaria G-código para una trayectoria de serpentina con 0,5 mm de desplazamiento entre las pasadas, la velocidad de 20 mm / min, y 30 mm de longitud de los pasos. Figura 1 muestra un esquema de una película hecha con la trayectoria de serpentina y también define el sistema de coordenadas.
4. Se somete la película depositada a una serie de tratamientos térmicos a vacío durante 1 hr cada uno a 100, 125, 150 y 175 ° C, y 16 horas a 200 ° C. Una optimización de los parámetros de tratamiento térmico se presenta en la sección de resultados representativos de este artículo.

4. Caracterización de las películas CHG

1. Caracterización de eliminación de disolvente residual
   1. Tomar un espectro FTIR de transmisión periódicamente durante las condiciones de recocido, la medición de la misma ubicación en la muestra cada vez. Dibujar el contorno del sustrato en la etapa de la muestra, y colocarlo dentro de este esquema cada vez que se toma una medida.
      1. En el software de FTIR, haga clic en "Configuración de un experimento", y escriba el número de exploraciones como 64. Haga clic a la pestaña "Banco" y escriba en el rango de exploración como 7.000 cm ^-1 a 500 cm ^-1. Tome una exploración de fondo con sólo la etapa de la muestra en el instrumento haciendo clic en "Suma de fondo." A continuación, coloque la muestra en el escenario, y haga clic en "Muestra Collect" para tomar el espectro de la muestra.
   2. Para realizar el seguimiento de la eliminación del disolvente, estimar el tamaño de las absorciones orgánicos en la matriz de la película. En el software de FTIR, dibujar una línea de base en el rango espectral de interés, aproximadamente 2,300-3,600 cm ^-1. El software calcula el área debajo de el espectro de transmisión de la muestra, con relación a la línea de base designado por el usuario.
2. Medición de Espesor de la película
   1. Rayar la película con unas pinzas de punta fina, hasta que el sustrato oscuro se hace visible entre la película de color más claro, que por lo general se produce en un solo movimiento rascado con una ligera presión. Eliminar los residuos causados ​​por el rascado con nitrógeno comprimido.
      1. Medir el espesor de las películas manta usando un perfilómetro de contactopara determinar la altura del escalón de la película al sustrato. Abrir "Configuración de la medición", y el tipo de velocidad de barrido de 0,1 mm / seg, y la longitud de escaneado de 500 micras.
      2. Coloque la muestra en el escenario, localizar el cero y la rotación de la muestra de manera que el cero está orientado en la dirección izquierda-derecha. Mover el escenario de tal manera que el punto de mira están justo por debajo del cero, y comenzar la exploración de superficie haciendo clic en "medición".
      3. Una vez finalizada la exploración, arrastre el R y M cursores para que ambos estén en la superficie de la película y haga clic en "Nivel Dos Punto Lineal" para nivelar el perfil de la superficie. Mover un cursor a la parte inferior de la cero, y anote la distancia entre cada posición del cursor en la dimensión y. espesor Medir en múltiples ubicaciones para obtener un espesor medio y la varianza en los datos.
   2. Determinar los perfiles de espesor de las películas de espesor no uniforme escaneando el perfilómetro a través de toda la película (perpendicular a la 1-D movimiento utilizado para depositar la película), y utilizar este perfil de superficie para crear un gráfico del espesor de película o un cargo.
      1. Explorar a través de toda la película mediante la introducción de una longitud de exploración apropiada mayor que la anchura de la película, por lo general 10 a 20 mm, en "Configuración de medición". Coloque el punto de mira sobre el sustrato no recubierto en un lado de la película y haga clic en "Medición", permitiendo que el perfilómetro para completar el análisis sobre el sustrato sin recubrir en el otro lado de la película. Clic derecho en el perfil de la superficie y exportación como un archivo .csv.
      2. Alternativamente, si el sustrato no es lo suficientemente plana para obtener los datos de espesor fiables, rayar la película hasta el sustrato con aproximadamente 1 mm entre los arañazos, y perfilómetro de exploración a través de toda la película. Anote el espesor y la posición horizontal en cada uno cero, y crear un gráfico del espesor de la película frente a la posición de estos puntos de datos.
3. Medir la rugosidad de la superficie con un interferómetro de luz blanca^13. Ajuste la inclinación enfoque y la etapa de generar franjas de interferencia en toda la zona de medición, que en este caso era 414 micras x 414 micras utilizando el objetivo de 5x. Tomar cinco mediciones a través de la película de espesor uniforme para determinar la rugosidad media y la varianza de los datos.
4. Medir el índice de refracción con un elipsómetro ¹⁴ en el rango de longitud de onda 600-1,700 nm. En este caso, utilizar un ángulo de incidencia de 60 °, y enfocar el haz a un tamaño de punto de 35 micras.
   1. Realizar la medición en el sustrato no recubierto, ajustando los datos para determinar el espesor de la capa de óxido nativo. Utilice esta información para modelar la muestra como un sistema de tres capas: oblea de Si + + óxido nativo película depositada. Tomar ocho mediciones en diferentes lugares de la muestra para determinar el índice de refracción promedio y la varianza, mientras que utilizando el modelo de Cauchy para ajustar los datos.

Resultados

Una representación esquemática de la trayectoria de serpentina utilizado para obtener películas de espesor uniforme con solo electrospray boquilla se muestra en la Figura 2. La Figura 3 muestra un espectro de ejemplo de transmisión de FTIR de un parcialmente curado-As ₄₀ S ₆₀ película hecha con el movimiento de serpentina de la pulverización, como se así como el espectro de disolvente etanolamina pura. A partir de la informac...

Discusión

Al comienzo de una película de espesor uniforme depositado con el movimiento de serpentina de la pulverización con respecto al sustrato, el perfil de espesor de la película va en aumento. Una vez que la distancia recorrida en la dirección y excede el diámetro de la pulverización (al llegar al sustrato), la tasa de flujo se vuelve aproximadamente equivalente para todos los puntos sobre el sustrato, y se logra uniformidad de espesor. Para determinar los parámetros de deposición apropiadas de una película de espes...

Materiales

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