Electrospray Deposizione di uniformità di spessore Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; E As<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; calcogenuri vetro Cinema

Riepilogo

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

Abstract

Soluzione a base di deposizione di film elettrospray, che è compatibile con continuo, il processo di roll-to-roll, viene applicato agli occhiali calcogenuri. Due composizioni calcogenuri sono dimostrati: Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ e il ₄₀ S _60, che sono stati entrambi ampiamente studiata per medio infrarosso (mid-IR) dispositivi microphotonic planari. In questo approccio, i film di spessore uniforme vengono fabbricati mediante l'uso di controllo (CNC) motion numerico del computer. vetro calcogenuro (ChG) è scritto sul substrato da un singolo ugello lungo un percorso a serpentina. Films sono stati sottoposti ad una serie di trattamenti termici tra 100 ° C e 200 ° C sotto vuoto per allontanare il solvente residuo e densificare film. Sulla base di Fourier trasmissione spettroscopia infrarossa in trasformata (FTIR) e la superficie misure di rugosità, entrambe le composizioni sono stati trovati per essere adatto per la fabbricazione di dispositivi planari operanti nella regione medio-IR. solvente residuorimozione è risultato essere molto più veloce per As ₄₀ S ₆₀ pellicola rispetto al Ge ₂₃ Sb ₇ S _70. Sulla base dei vantaggi di elettrospray, stampa diretta di un rivestimento trasparente gradiente di indice di rifrazione (GRIN) mid-IR è previsto, data la differenza di indice di rifrazione dei due composizioni in questo studio.

Introduzione

Vetri calcogenuri (ChGs) sono ben noti per la loro trasmissione a infrarossi ampia e riconducibilità a spessore uniforme, la deposizione di film coperta ^1-3. On-chip guide d'onda, risonatori e altri componenti ottici possono essere formati da questo film di tecniche di litografia, e quindi il successivo rivestimento polimerico per fabbricare dispositivi microphotonic ^4-5. Un'applicazione chiave che cerchiamo di sviluppare è piccolo, poco costoso, dispositivi di rilevamento chimico altamente sensibili che operano nel mid-IR, dove molte specie organiche hanno firme ottici ^6. sensori chimici Microphotonic possono essere distribuiti in ambienti difficili, come ad esempio nei pressi di reattori nucleari, in cui l'esposizione alle radiazioni (raggi gamma e alfa) è probabile. Quindi un ampio studio della modifica delle proprietà ottiche dei materiali elettrospray CHG è critica e sarà segnalato in un altro documento. In questo articolo, deposizione di film electrospray di ChGs è esposta, in quanto è un metodo solo recentementeapplicato a ChGs ^7.

I metodi di deposizione di film esistenti possono essere classificati in due categorie: tecniche di deposizione di vapore, come l'evaporazione termica di obiettivi Chg rinfusa, e tecniche di soluzione derivate, ad esempio per spin-coating una soluzione di ChG disciolto in un solvente ammina. Generalmente, pellicole soluzione derivata tendono a produrre un aumento di perdita del segnale luminoso per la presenza di solvente residuo nella matrice film ^3, ma un unico vantaggio di tecniche di soluzione derivata oltre deposizione di vapore è il semplice inserimento di nanoparticelle (ad esempio, quantum dots o QD) prima spin-coating ^8-10. Tuttavia, l'aggregazione delle nanoparticelle è stata osservata in rotazione rivestite film ^10. Inoltre, mentre la deposizione e spin-coating approcci vapori sono particolarmente adatti alla formazione di spessore uniforme, film coperta, essi non si prestano bene a deposizioni localizzate, o film di spessore non uniforme ingegnerizzati. Fnoltre, scale-up di spin-coating è difficile a causa di residui ad alta materiale dovuto al dilavamento dal substrato, e perché non è un processo continuo ^11.

Per superare alcuni dei limiti delle attuali tecniche di deposizione di film Chg, abbiamo investigato l'applicazione elettrospray al sistema materiali Chg. In questo processo, uno spray aerosol può essere formata della soluzione ChG applicando un campo elettrico ad alta tensione ^7. Poiché si tratta di un processo continuo che è compatibile con il processo di roll-to-roll, nei pressi utilizzo 100% di materiale è possibile, il che è un vantaggio rispetto spin-coating. Inoltre, abbiamo proposto che l'isolamento dei singoli QD nelle singole goccioline ChG aerosol potrebbe portare ad una migliore dispersione QD, a causa delle goccioline cariche essendo spazialmente auto-disperdente dalla repulsione Coulombiana, combinata con i più rapidi cinetiche essiccazione delle goccioline elevata area superficiale che minimizzano il movimento di QD causa dellaaumentando la viscosità delle goccioline mentre in volo ^{7, 12.} Infine, la deposizione localizzata è un vantaggio che può essere utilizzato per fabbricare rivestimenti GRIN. Esplorazioni di entrambi incorporazione QD e GRIN fabbricazione di ChG con elettrospray sono attualmente in corso per essere presentata come un prossimo articolo.

In questa pubblicazione, la flessibilità del electrospray è dimostrata da entrambi deposizioni localizzati e film di spessore uniforme. Per studiare l'idoneità dei film per applicazioni fotoniche planari, trasmissione trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa (FTIR), qualità delle superfici, lo spessore, e le misurazioni dell'indice di rifrazione sono utilizzati.

Protocollo

Attenzione: Si prega di consultare le schede di sicurezza (SDS) quando si lavora con queste sostanze chimiche, ed essere consapevoli degli altri pericoli come ad alta tensione, il movimento meccanico del sistema di deposizione, e le alte temperature della piastra e forni utilizzati.

Nota: Iniziare questo protocollo con il vetro calcogenuro di massa, che viene preparato da noti tecniche di fusione di tempra ^2.

1. Preparazione di CHG Solutions

Nota: Due soluzioni sono utilizzati in questo studio, Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ e As ₄₀ S _60, sia disciolto in etanolammina alla concentrazione di 0,05 g / ml. La preparazione delle due soluzioni sono identici. Eseguire tutti i passaggi in questa sezione all'interno di una cappa aspirante.

1. Schiacciare il vetro di massa in una polvere fine con un mortaio e pestello.
2. Mescolare 0,25 g del vetro con 5 ml di solvente etanolamina.
3. Consentire 1-2 giorni per la completa dissoluzioneil vetro. Accelerare la dissoluzione riscaldando la soluzione su una piastra con una temperatura superficiale di ~ 50-75 ° C. Aumentare il tasso di dissoluzione con agitazione della miscela, ad esempio con una barra di agitazione magnetica.
4. soluzione filtro in una fiala con 0,45 micron politetrafluoroetilene filtro (PTFE) per rimuovere eventuali grandi precipitati dalla soluzione.

2. Impostazione del processo di deposizione

Nota: Il sistema di deposizione elettrospray è rappresentato schematicamente in figura 1 In questo processo, una siringa di vetro 50 microlitri con pistone PTFE a punta viene utilizzato.. La siringa è uno stile ago asportabile con un 22 gauge diametro esterno dell'ago (diametro esterno 0,72 millimetri 0,17 mm di diametro interno) cono-punta, ed è collegato alla pompa a siringa orientato verticalmente del sistema elettrospray. Il sistema elettrospray è esposto all'atmosfera ambiente in questi esperimenti iniziali, anche se il sistema è predisposto all'interno di un vano portaoggetti. Il sistema dovrebbe essere in sét-up in una posizione in cui è isolato dall'utente, come ad esempio una cappa aspirante.

1. Posizionare l'estremità dell'ago nella soluzione ChG. Aspirare la soluzione nella siringa impostando la pompa a siringa in modalità estratto ad una velocità lenta, ad esempio 150 ml / hr, per evitare la formazione di bolle.
2. Impostare la distanza di lavoro (10 mm in questo caso) tra l'estremità dell'ugello e la parte superiore del substrato di Si tramite il CNC in modalità spostamento manuale. Posizionare il substrato di Si, che è non drogato ed ha una resistività di 10.000 Ohm-cm, su una piastra di alluminio collegato al ritorno a terra elettrica.
3. Consentire un piccolo volume di liquido per rivestire la superficie esterna dell'ugello erogando un liquido dalla siringa utilizzando la pompa a siringa. Attivare piastra su ad una temperatura superficiale di circa 75-100 ° C. Attendere ~ 2 ore per consentire una pellicola di vetro a secco sulla superficie dell'ugello. Questo rivestimento aiuta la stabilità dello spray.

3. Electrospray Deposizionedi chg Films

1. Collegare la corrente continua (DC) alimentazione all'ugello siringa con una clip elettrica.
2. Impostare la portata a 10 ml / h, e sintonizzare tensione continua per formare un cono di Taylor stabile (~ 4 kV a 10 mm di distanza di lavoro). Visualizza lo spray con una telecamera alto ingrandimento.
3. Inizia motion CNC dello spray sul substrato per depositare pellicole, una volta che lo spray è stabile.
   1. Utilizzare un percorso tortuoso per spessore uniforme, o unidimensionale (1-D) passa per un profilo di spessore lineare.
   2. Utilizzare passa con una distanza maggiore della larghezza del substrato, in modo tale che lo spruzzo sposta completamente fuori del substrato prima di effettuare il passaggio successivo. Questo viene fatto in modo che la portata del liquido è la stessa in ogni punto sul substrato.
   3. Controllare il CNC utilizzando il software LinuxCNC. Per un esempio, utilizzare il codice G supplementare per un percorso a serpentina con 0,5 mm di offset tra le passate, velocità di 20 mm / min, e 30 mm di lunghezza dei passi. Figura 1 mostra uno schema di un film realizzato con il percorso a serpentina e definisce il sistema di coordinate anche.
4. Sottoporre il film depositato ad una serie di trattamenti termici sotto vuoto per 1 ora ciascuno a 100, 125, 150 e 175 ° C e 16 ore a 200 ° C. Una ottimizzazione dei parametri di trattamento termico è presentato nella sezione Risultati rappresentativi di questo articolo.

4. Caratterizzazione dei film CHG

1. Caratterizzazione di rimozione residua di solventi
   1. Prendere uno spettro di trasmissione FTIR periodicamente durante le condizioni di ricottura, misurando la stessa posizione sul campione di volta in volta. Disegnare un contorno del substrato sul palco del campione, e posizionarlo all'interno di questo schema ogni volta che viene presa una misurazione.
      1. Nel software FTIR, fai clic su "Imposta Experiment", e digitare il numero di scansioni come 64. Fare clic sulla scheda "da banco" e digitare nel campo di scansione a 7.000 cm ^-1 a 500 cm ^-1. Prendere una scansione di fondo con solo la fase del campione nello strumento cliccando su "Raccogliere sfondo." Poi posto il campione sul palco, e fare clic su "Sample Collect" per prendere lo spettro del campione.
   2. Per monitorare l'eliminazione del solvente, stimare la dimensione degli assorbimenti organici nella matrice film. Nel software FTIR, tracciare una linea di base nel campo spettrale di interesse, a circa 2,300-3,600 cm ^-1. Il software calcola l'area sotto lo spettro di trasmissione del campione, rispetto alla linea di base designata dall'utente.
2. Misurazione dello spessore del film
   1. Gratta il film con una pinzetta punta fine, fino a quando il substrato scuro diventa visibile tra la pellicola di colore più chiaro, che in genere si verifica in un unico movimento di graffiare con una leggera pressione. Rimuovere i detriti causati da graffi con azoto compresso.
      1. Misurare lo spessore del film coperta utilizzando un profilometro contattoper determinare l'altezza del gradino dalla pellicola al substrato. Apri "Configurazione di misura" e digitare velocità di scansione di 0,1 mm / sec, e la lunghezza di scansione di 500 micron.
      2. Posizionare campione sul palco, localizzare il graffio e ruotando il campione in modo che il graffio è orientata nella direzione sinistra-destra. Spostare lo stadio in modo che il mirino sono appena sotto il graffio, e iniziare la scansione della superficie cliccando su "misura".
      3. Una volta che la scansione è terminata, trascinare la R e cursori M in modo che siano entrambi sulla superficie del film, e fare clic su "Livello due punti lineare" per livellare il profilo superficiale. Spostare un cursore al fondo del graffio, e annotare la distanza tra ogni posizione del cursore nel y-quota. Misurare lo spessore in più posizioni per ottenere uno spessore medio e varianza nei dati.
   2. Determinare i profili di spessore dei film di spessore non uniforme attraverso la scansione del profilometro sull'intera pellicola (perpendicolare al 1motion -D usata per depositare film), e utilizzare questo profilo di superficie per creare un grafico dello spessore del film vs. posizione.
      1. Scansione sull'intera pellicola inserendo una lunghezza di scansione appropriata maggiore della larghezza del film, di solito 10-20 mm, in "Setup misurazione". Posizionare il mirino su substrato non rivestito su un lato della pellicola e clicca "Measurement", permettendo al profilometro per completare la scansione su substrato non rivestito sull'altro lato della pellicola. Fare clic destro sul profilo della superficie e l'esportazione in un file .csv.
      2. In alternativa, se il substrato non è abbastanza piatta per ottenere dati affidabili spessore, graffiare il film fino al substrato con circa 1 mm tra le graffiature e profilometro scansione su tutta la pellicola. Annotare lo spessore e la posizione orizzontale ad ogni zero, e creare un grafico dello spessore del film vs. posizione da questi punti di dati.
3. Misurare rugosità superficiale con un interferometro a luce bianca^13. Regolare l'inclinazione fuoco e la fase di generare frange di interferenza sull'intera area di misura, che in questo caso era 414 micron x 414 micron usando l'obiettivo 5x. Prendere cinque misurazioni attraverso il film spessore uniforme per determinare la rugosità media e la varianza dei dati.
4. Misurare l'indice di rifrazione con un ellissometro ¹⁴ nell'intervallo 600-1,700 nm. In questo caso, utilizzare un angolo di incidenza di 60 °, e focalizzare il fascio ad uno spot di 35 micron.
   1. Effettuare una misurazione sul substrato non rivestito, montaggio dei dati per determinare lo spessore dello strato di ossido nativo. Utilizzare queste informazioni per modellare il campione come un sistema a tre strati: Si wafer + ossido nativo + film depositato. Prendere otto misurazioni in diversi punti del campione per determinare l'indice medio di rifrazione e varianza, mentre si utilizza il modello di Cauchy per adattarsi ai dati.

Risultati

Una rappresentazione schematica del percorso a serpentina utilizzato per ottenere film di spessore uniforme con singola electrospray ugello è mostrato nella Figura 2. La Figura 3 mostra uno spettro esempio trasmissione FTIR di un parzialmente vulcanizzato ₄₀ S ₆₀ film realizzato con moto serpentina dello spray, come così come lo spettro di solvente puro etanolammina. Dalle informazioni che possono essere ottenute dagli spettri FTI...

Discussione

All'inizio di un film spessore uniforme depositato con moto serpentina dello spray rispetto al substrato, il profilo spessore del film è in aumento. Una volta che la distanza percorsa nella direzione y supera il diametro dello spray (all'arrivo in substrato), il tasso di flusso diventa approssimativamente equivalente per ogni punto sul substrato, e si realizza uniformità di spessore. Per determinare i parametri di deposizione appropriati di un film di spessore uniforme electrosprayed, spessore del film teorica...

Materiali

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