הפקדת electrospray של עובי אחיד Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; וכפי<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; סרטי זכוכית Chalcogenide

Summary

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

Abstract

פתרון המבוסס על הסרט בתצהיר electrospray, אשר תואם עם עיבוד רציף, גליל ל-רול, מוחל משקפיים chalcogenide. שתי יצירות chalcogenide הם הפגינו: Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ ו כיוון ש _-40 S _60, אשר שניהם נחקרו בהרחבה בשל מישוריים אמצע אינפרא אדום (אמצע IR) מכשירים microphotonic. לפי גישה זו, סרטי עובי אחידים מיוצרים תוך שימוש מבוקר מחשב נומרית תנועה (CNC). זכוכית Chalcogenide (CHG) כתובה על המצע על ידי נחיר יחיד לאורך שביל מתפתל. סרטים נחשפו שורה של טיפולים חומים בין 100 ° C ו -200 ° C תחת ואקום ולסלק ממס שיורי densify הסרטים. בהתבסס על פורה שידור להפוך ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (FTIR) ולהציף מדידות חספוס, נמצאו שני היצירות להיות מתאים הייצור של מכשירים מישוריים הפועלים באיזור אמצע IR. ממס שיוריהסרת נמצאה להיות הרבה יותר מהר לסרט כמו ₄₀ S ₆₀ לעומת גה ₂₃ Sb ₇ S _70. בהתבסס על היתרונות של electrospray, הדפסה ישירה של מקדם שבירת שיפוע (וחיוך) אמצע IR ציפוי שקוף היא חזה, בהתחשב ההבדל מקדם שבירה של שתי היצירות במחקר זה.

Introduction

משקפי Chalcogenide (ChGs) ידועים לשידור amenability אינפרא האדומים הרחבים שלהם כדי עובי אחיד, בתצהיר סרט שמיכת ^1-3. על שבב בגלבו, תהודה, ורכיבים אופטיים אחרים אז יכול להיווצר מהסרט הזה על ידי טכניקות ליתוגרפיה, ולאחר מכן ציפוי פולימרי לאחר לפברק התקנים microphotonic ^4-5. יישום מפתח אחת כי אנו שואפים לפתח הוא קטן, זול, מכשירי חישה כימית רגישים מאוד לפעול באמצע-IR, שבו מינים אורגניים רבים יש חתימות אופטיות ^6. חיישנים כימיים Microphotonic ניתן לפרוס בסביבות קשות, כגון ליד כורים גרעיניים, בהם החשיפה לקרינה (גמא אלפא) הוא סביר. לפיכך מחקר מקיף של השינוי של תכונות אופטיות של חומרי electrospray CHG הוא קריטי ידווח במאמר אחר. במאמר זה, בתצהיר סרט electrospray של ChGs מוצג, כפי שהוא הוא שיטה רק לאחרונהלהחיל ChGs ^7.

השיטות בתצהיר סרט הקיימות ניתן לסווג לשתי קבוצות: טכניקות שיקוע, כגון אידוי תרמי של מטרות CHG בתפזורת, וטכניקות הנגזרות פתרון, כגון על ידי ספין ציפוי פתרון של CHG מומס ממס אמין. באופן כללי, סרטים הנגזרות פתרון נוטים לגרום לאובדן גבוה של אות האור בשל נוכחותם של ממס שיורי במטריצת הסרט ^3, אבל יתרון ייחודי של טכניקות נגזרות פתרון על שיקוע הוא שילוב הפשוט של חלקיקים (למשל, נקודות או QDs קוונטים) לפני ספין ציפוי ^8-10. עם זאת, הצטברות של חלקיקים נצפתה בסרטי ספין מצופה ^10. בנוסף, בעוד גישות שיקוע ספין-ציפוי מתאימות היטב להיווצרות של עובי אחיד, סרטי שמיכה, הם לא להשאיל את עצמם היטב תצהירים מקומיים, או סרטי עובי לא אחידים מהונדסים. Furthermore, מדרוג כלפי מעלה של ציפוי ספין קשה בגלל הפסולת חומרית גבוהה בשל ניגר מן המצע, ובגלל זה הוא לא תהליך מתמשך ^11.

על מנת להתגבר על חלק מהמגבלות של טכניקות בתצהיר סרט הנוכחיות CHG, חקרנו את היישום של electrospray למערכת חומרי CHG. בתהליך זה, תרסיס אירוסול יכול להיווצר מהפתרון CHG על ידי הפעלת שדה חשמלי מתח גבוה ^7. בגלל זה הוא תהליך מתמשך אשר תואם עם עיבוד רול ל-רול, שימוש 100% ליד של חומר אפשרי, דבר המהווה יתרון על-ציפוי ספין. בנוסף, שהצענו כי בידוד של QDs היחיד טיפות תרסיס CHG הפרט עלול להוביל לפיזור QD טוב יותר, בשל הטיפין הטעונות להיות מרחבית-פיזור עצמי על ידי דחיית Coulombic, בשילוב עם קינטיקה הייבוש המהירה של טיפות שטח פנים הגבוהים כי למזער את התנועה של QDs בשלהגדלת צמיגות של טיפות ואילו הטיסה ^{7, 12.} לבסוף, בתצהיר מקומי יתרון שיכול להיות מנוצל כדי לפברק ציפוי והחיוך. חקור הוא התאגדות QD ייצור וחיוך של CHG עם electrospray נערך כיום שיוגש כמו במאמר עתידי.

בפרסום זה, את הגמישות של electrospray מודגמת על ידי שני תצהירים מקומיים וסרטי עובי אחידים. כדי לחקור את התאמתו של הסרטים עבור יישומים פוטוניים מישוריים, פורה שידור להפוך ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (FTIR), משטח באיכות, עובי, ומדידות מקדמות שבירה מנוצלות.

Protocol

זהירות: יש להתייעץ גיליונות נתוני בטיחות חומרים (MSDS) כשעובד עם החומרים האלה, ולהיות מודעים לסכנות האחרות כגון מתח גבוה, תנועה מכאנית של המערכת בתצהיר, וטמפרטורות גבוהות של הפלטה החשמלית תנורים מנוצלים.

הערה: בגין בפרוטוקול זה עם זכוכית chalcogenide בתפזורת, אשר הוכן על ידי טכניקות להמיס-להרוות ידועים ^2.

1. הכנת פתרונות CHG

הערה: שני פתרונות מנוצלים במחקר זה, גה ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ ו כיוון ש _-40 S _60, שניהם מומס ethanolamine בריכוז של 0.05 גר '/ מ"ל. הכנת שני הפתרונות זהים. בצע את כל השלבים בסעיף זה בתוך במנדף.

1. קראש זכוכית בתפזורת לאבקה דקה בעזרת מכתש ועלי.
2. מערבבים 0.25 גרם של זכוכית עם 5 מ"ל של הממס ethanolamine.
3. אפשר 1-2 ימים עבור פירוק מוחלט שלהזכוכית. לזרז פירוק על ידי חימום הפתרון על פלטה חמה עם טמפרטורת פני שטח של ~ 50-75 מעלות צלזיוס. להגביר את קצב פירוק על ידי ערבוב את התערובת, כגון עם בר בחישה מגנטי.
4. פתרון סינון לתוך בקבוקון עם 0.45 מיקרומטר polytetrafluoroethylene (PTFE) מסנן כדי להסיר כל משקעים גדולים מפתרון.

2. הגדרת תהליך ההדחה

הערה: מערכת בתצהיר electrospray מתואר באופן סכמטי באיור 1 בתהליך זה, מזרק זכוכית 50 μl עם הבוכנה שקצהו PTFE מנוצל.. מזרק הוא סגנון מחט נשלף עם שקצהו קונוס, 22 מחט מד קוטר חיצוני (0.72 מ"מ קוטר חיצוני, 0.17 מ"מ קוטר פנימי), והוא מחובר משאבת מזרק בכיוון אנכי של מערכת electrospray. מערכת electrospray חשופה אווירת סביבה בניסויים הראשוניים אלה, על אף שהמערכת היא הגדרה פנימית של כפפות. המערכת צריכה להיות set-אפ במיקום שבו היא מנותקת המשתמש, כגון במנדף.

1. הנח את קצה המחט לתוך תמיסת CHG. צייר את הפתרון לתוך מזרק על ידי קביעת משאבת מזרק במצב תמצית בקצב איטי, כגון 150 μl / hr, כדי למנוע היווצרות של בועות.
2. הגדר את מרחק העבודה (10 מ"מ במקרה זה) בין סוף הפייה העליון של המצע Si באמצעות CNC במצב התנועה ידנית. מניחים את המצע Si, שהוא undoped ויש לו התנגדות של 10,000 אוהם-ס"מ, על צלחת אלומיניום מחובר החזרת הקרקע אספקת החשמל.
3. אפשר נפח קטן של נוזל כדי לצפות את פני השטח החיצוני של הזרבובית ידי מחלק נוזל כלשהו מן המזרק ניצול משאבת המזרק. הפעל פלטה חשמלית על בטמפרטורת משטח של כ 75-100 מעלות צלזיוס. חכה ~ 2 שעות כדי לאפשר סרט זכוכית להתייבש על פני שטח הזרבובית. ציפוי זה מסייע ליציבות של הספרים.

3. הפקדת electrosprayסרטי CHG

1. חבר את ספק הכח הנוכחי (DC) הישיר אל נחיר המזרק עם קליפ חשמל.
2. קצב הזרימה הגדר ב 10 μl / שעה, ומתח לכוון DC כדי ליצור חרוט טיילור יציב (~ 4 קילו ב 10 מ"מ עובד מרחוק). הצג את ספריי עם מצלמה בהגדלה גבוהה.
3. התחל CNC תנועה של הספרים על המצע להפקיד סרט, פעם הספריי הוא יציב.
   1. להשתמש בנתיב מתפתל עבור עובי אחיד, או חד-ממדי (1-D) שנחשב פרופיל עובי ליניארי.
   2. השתמש עובר עם למרחק גדול יותר מאשר הרוחב של המצע, כך המהלכים ספריי לגמרי של המצע לפני ביצוע המעבר הבא. זה נעשה כך כי קצב הזרימה של נוזל זהה בכל נקודה על פני המצע.
   3. שליטה CNC באמצעות תוכנת LinuxCNC. לדוגמא, להשתמש G- קוד משלים נתיב מתפתל עם 0.5 מ"מ לקזז בין עובר, מהירות של 20 מ"מ / דקה, ו -30 מ"מ אורך המעברים. איור 1 מראה סכמטי של סרט עשה עם השביל מתפתל וגם מגדיר את מערכת קואורדינטות.
4. נושא הסרט שהופקד לסדרה של טיפולים חומים תחת ואקום עבור שעת 1 כל אחד ב 100, 125, 150 ו -175 ° C, ו -16 שעות ב 200 מעלות צלזיוס. אופטימיזציה של פרמטרי הטיפול בחום מוצגת בסעיף נציג התוצאות של מאמר זה.

אפיון 4. של סרטי CHG

1. אפיון של הסרת שיורית מרכך
   1. קח ספקטרום FTIR שידור קבוע במהלך תנאי החישול, מדידה באותו מקום על המדגם בכל פעם. צייר מתווה של המצע על הבמה המדגמת, ולמקם אותו בתוך המתווה הזה בכל פעם מדידה נלקחת.
      1. בתוכנה FTIR, לחץ על "הגדרת הניסוי," ולהקליד את מספר סריקות כפי 64. לחץ על הכרטיסייה "ספסל" ולהקליד את טווח סריקה כמו 7,000 ^-1 ס"מ 500 ס"מ ^-1. קח סריקה ברקע עם רק הבמה מדגם במכשיר על ידי לחיצה על "אסוף רקע." אז במקום מדגם על הבמה, ולחץ על "לדוגמא אסופה" לקחת את הספקטרום של המדגם.
   2. כדי לעקוב אחר הסרת הממס, להעריך את הגודל של הקליטה האורגנית במטריצת הסרט. בתוכנת FTIR, לצייר בסיס בטווח ספקטרלי של עניין, כ 2,300-3,600 ^-1 סנטימטר. התוכנה מחשבת את השטח מתחת ספקטרום השידור של המדגם, ביחס לקו הבסיס שנקבע על ידי המשתמש.
2. מדידה של עובי הסרט
   1. גרד את הסרט עם פינצטה נקודה בסדר, עד המצע הכהה הופך לגלוי בין הסרט בצבע הבהיר יותר, אשר מתרחש בדרך כלל בתנועה אחת מגרד עם לחץ קל. סור פסול שנגרם על ידי גירוד עם חנקן דחוס.
      1. מדוד את העובי של סרטי שמיכה באמצעות איש קשר profilometerכדי לקבוע את גובה צעד מסרט למצע. "הגדרת מדידה," פתח באמצעות הקלדת קצב סריקה של 0.1 מ"מ / sec, ואורך סריקה של 500 מיקרומטר.
      2. מניחים דגימה על הבמה, איתור שריטה וסיבוב המדגם כך שריטה מכוונת לכיוון ימין-שמאל. הזז את הבמה כך מקושרות שערות הם ממש מתחת מאפס, ולהתחיל סריקה של פני השטח על ידי לחיצה על "מדידה."
      3. לאחר הסריקה הוא סיים, גרור את R סמני M כך הם שניהם על פני השטח את הסרט, ולחץ על "רמת שתיים נקודה לינארית" כדי לפלס את פרופיל פני השטח. עבר סמן אחד לתחתית של השריטה, ורשום את המרחק בין כל עמדת סמן-ממד y. עובי מדוד במקומות מרובים להשיג עובי ושונה ממוצעים בנתונים.
   2. קבע את פרופילי העובי של סרטי עובי לא אחידים על ידי סריקת profilometer פני הסרט כולו (בניצב 1תנועת -D נהגה להפקיד את הסרט), ולהשתמש בכרטיס המשטח הזה כדי ליצור גרף של עובי סרט כפונקציה של מיקום.
      1. לסרוק את פני הסרט כולו על ידי הזנת אורך סריקה מתאימה יותר מרוחב הסרט, בדרך כלל 10-20 המ"מ, ב "הגדרת מדידה." מניח את הכוונת על מצע ללא ציפוי בצד אחד של הסרט ולחץ על "מדידה", המאפשר profilometer כדי להשלים את הסריקה על מצע ללא ציפוי בצד השני של הסרט. קליק ימני על פרופיל פני השטח ולייצא כקובץ csv.
      2. לחלופין, אם המצע אינו שטוח מספיק כדי לקבל נתונים עובי אמין, לשרוט את הסרט למטה למצע עם כ -1 מ"מ בין שריטות, profilometer לסרוק את פני הסרט כולו. רשום את העובי במצב אופקי בכל מאפס, וליצור גרף של עובי סרט כפונקציה של מיקום מנקודות נתונים אלה.
3. מדוד חספוס פני השטח עם אינטרפרומטר לבן-אור^13. לכוונן את הטיית מיקוד במה כדי ליצור בשולי הפרעה מעל אזור המדידה כולו, אשר במקרה זה היה 414 מיקרומטר x 414 מיקרומטר באמצעות מטרת 5x. קח חמש מדידות על פני סרט העובי האחיד כדי לקבוע את החספוס ושונה הממוצעים של הנתונים.
4. מדוד את השבירה עם ellipsometer ¹⁴ בטווח של גל 600-1,700 ננומטר. במקרה זה, השתמש זוית הפגיעה של 60 מעלות, ולמקד את האלומה לנקודה בגודל של 35 מיקרומטר.
   1. קח מדידה על פני המצע ללא ציפוי, הולם את הנתונים כדי לקבוע את עובי שכבת תחמוצת הילידים. השתמש במידע זה כדי לדגמן המדגם כמערכת שכבה שלוש: Si רקיק + תחמוצת יליד + סרט שהופקד. קח שמונה מדידות במקומות שונים על המדגם כדי לקבוע את מקדם השבירה הממוצע ושונה, תוך שימוש במודל הקושי כדי להתאים את הנתונים.

תוצאות

ייצוג סכמטי של הנתיב מתפתל מנוצל כדי לקבל סרטי עובי אחידים עם electrospray זרבובית יחיד מוצג באיור 2. איור 3 מראה ספקטרום FTIR שידור דוגמא-נרפא חלקית כיוון ש _-40 S ₆₀ סרט עשה עם תנועה מתפתלת של הספרים, כפי גם את הספקטרום של ממס ethanolamin...

Discussion

בתחילת סרט עובי אחיד שהופקד עם תנועה מתפתלת של יחסי ספריי למצע, פרופיל עובי סרט גדל. לאחר המרחק ב y-הכיוון עולה על הקוטר של ספריי (עם הגיעם המצע), שיעור הזרימה הופך שווה-ערך עבור כל נקודה על פני המצע, ואחידות עובי מושגת. כדי לקבוע את הפרמטרים בתצהיר המתאימים של סרט עובי א?...

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