균일 한 두께의 Ge 전기 분무 증착<sub&gt; (23)</sub&gt;의 Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; (70)</sub&gt;와 같이<sub&gt; (40)</sub&gt; S<sub&gt; (60)</sub&gt; 칼 코게 나이드 유리 필름

요약

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

초록

용액 계 일렉트로 성막 연속 롤 - 투 - 롤 공정과 호환, 칼 코겐화물 유리에 적용된다. 두 칼 코게 나이드 조성은 입증되어 모두 평면 중 적외선 (중반 IR) microphotonic 장치에 대해 광범위하게 연구 된 창 _(23)의 Sb ₇ S _70, S _{40 60.} 이 방법에서, 균일 한 두께의 필름은 컴퓨터 수치 제어 (CNC)의 움직임을 이용하여 제조된다. 칼 코겐화물 유리 (CHG)은 구불 구불 한 경로를 따라 하나의 노즐에 의해 기판 ​​상에 기록된다. 필름 잔류 용매를 운전하고 영화 밀도를 높이기 위해 진공 상태에서 100 ° C와 200 ° C 사이의 열 치료의 일련 하였다. 송신 푸리에 기준 적외선 (FTIR) 분광기 변환 거칠기 측정 표면, 두 조성물은 중간 IR 영역에서 운전 평면 소자의 제조에 적합한 것으로 밝혀졌다. 잔류 용매제거는 창 _(23)의 Sb ₍₇₎ S _(70)에 비해 ₄₀ S ₍₆₀₎ 영화 훨씬 빠른 것으로 밝혀졌다. 전기 분사의 이점에 기초하여, 경사 굴절률 (GRIN) 중간 IR 투명 코팅의 다이렉트 인쇄는 본 연구에서 두 조성물의 굴절률 차는 주어진 구상된다.

서문

칼 코게 나이드 안경 (ChGs)는 균일 한 두께, 담요 성막 ^1-3에 자신의 광범위한 적외선 전송 및 가공성 잘 알려져있다. 온칩 도파관 공진기 및 기타 광학 구성 요소는 리소그래피 기술에 의해 필름이 형성 될 수 있으며, 후속 중합체 코팅 microphotonic 장치 ^4-5를 제작. 우리가 개발 한 키 탐색 애플리케이션은 많은 유기종 광학 서명 ^6이 중앙 IR에서 동작 작고 저렴 고감도 화학 센싱 장치이다. Microphotonic 화학 센서는 방사선 (감마 및 알파)에 노출 가능성이 원자로, 근처의 열악한 환경에 배포 할 수 있습니다. 따라서 만성 위염 전기 분무 재료의 광학적 특성의 수정의 광범위한 연구는 매우 중요하며 또 다른 논문에서보고됩니다. 그것은 단지 최근에 방법으로이 글에서는 ChGs의 전기 분무 필름 증착이 전시된다ChGs ^7에 적용.

벌크 증감 타겟 열 증발과 같은 스핀 코팅 아민 용매에 용해 만성 위염의 용액을하는 등 용액 파생 기술로서 증착 기술 : 기존의 성막 방법은 두 가지로 분류 될 수있다. 일반적으로, 예를 들면 (용액 유래 필름 인해 막 매트릭스 ^(3)의 잔류 용매의 존재로 인해 광 신호의 더 높은 손실이 발생하는 경향이 있지만, 증착을 통해 용액 파생 기술의 유일한 장점은 나노 입자의 단순 결합이며 양자점 또는 양자점) 이전에 스핀 코팅하는 ^8-10. 그러나, 나노 입자의 응집은 스핀 코팅 필름 ^(10)에서 관찰되었다. 증착법 및 스핀 코팅 방법은 균일 한 두께, 블랭킷 필름의 형성에 매우 적합하면서 또한, 이들은 국소 증착 또는 조작 비 균일 한 두께의 필름으로 자신을 잘 적합하지 않는다. 에프urthermore, 스핀 코팅의 스케일 업 때문에 실행 - 오프에 기판으로부터 인해 높은 물질 폐기물의 어려운이며, 연속 공정 ^(11)가 아니기 때문에.

현재 만성 위염 성막 기술의 한계 중 일부를 극복하기 위해, 우리는 만성 위염 재료 시스템에 전기 분무 적용을 조사 하였다. 이 과정에서 에어로졸 스프레이 고전압 전기장 ^(7)을 적용하여 만성 위염 용액을 형성 할 수있다. 이 롤 - 투 - 롤 공정과 호환되는 연속 공정이기 때문에, 소재의 100 % 근처의 사용은 스핀 코팅 위에 이점 인 것이 가능하다. 또, 각각의 만성 위염 에어로졸 방울 단일 양자점의 분리로 인해 대전 물방울이 고 표면적 방울의 빠른 건조 동력학과 결합 쿨롱 반발력에 의해 공간적 자기 분산 것에 더 QD 분산액을 초래할 수 있다고 제안 그 때문에 양자점으로의 이동을 최소화기내 ^{(7), (12).} 마지막으로, 국소 증착 GRIN 코팅을 제조하는데 이용 될 수있는 이점이있는 동안 소적의 점도를 증가시킨다. 전기 분무와 만성 위염의 두 QD의 설립 및 GRIN 제작의 탐험은 현재 미래의 문서로 제출 진행되고 있습니다.

이 책에서, 전기 분무의 유연성은 지역화 증착 및 균일 한 두께의 필름을 모두 설명된다. 평면 광 애플리케이션 필름의 적합성을 조사하기 위해, 송신 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광기, 표면 품질, 두께 및 굴절율 측정이 이용된다 변환.

프로토콜

주의 : 이러한 화학 물질로 작업 할 때 (MSDS)를 물질 안전 보건 자료 (MSDS)를 참조하고, 높은 전압, 증착 시스템의 기계적 움직임, 그리고 사용 된 핫 플레이트와 용광로의 고온과 같은 다른 위험에 유의하십시오.

참고 : 잘 알려진 용융 급냉 기술 ^(2)에 의해 제조된다 벌크 칼 코게 나이드 유리,이 프로토콜을 시작합니다.

만성 위염 솔루션 1. 준비

참고 : 두 솔루션은이 연구에 이용되고, 창 _(23)의 Sb ₍₇₎ S ₍₇₀₎ 및 _(40)로 S _(60), 0.05 g / ml의 농도에서 에탄올에 용해 모두. 두 용액의 제조는 동일합니다. 흄 후드 내에서이 섹션의 모든 단계를 수행합니다.

1. 막자 사발을 사용하여 미세한 분말로 벌크 유리를 분쇄.
2. 에탄올 용매를 5 ㎖의 유리 0.25 g을 혼합한다.
3. 허용 완전히 용해 1~2일유리. ~ 50-75 ℃의 표면 온도로 핫 플레이트상에서 상기 용액을 가열하여 용해를 신속. 이러한 자기 교반 막대로, 교반하여 용해 속도를 증가시킨다.
4. 0.45 ㎛의 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 필터를 사용하여 바이알 내로 필터 액 용액으로부터 임의의 큰 침전을 제거한다.

2. 증착 프로세스 설정

주 : 전기 분무 증착 시스템이도 1에 개략적으로 도시되어있다이 방법에서, PTFE로 만들어진 플런저 50 μL 유리 주사기가 사용된다.. 주사기 콘 스쳐, 22 게이지 바늘의 외경 (0.72 mm 외경 0.17 mm, 내경)을 제거 니들 스타일이며, 전기 분무 방식의 수직 배향 주사기 펌프에 연결된다. 시스템 설정되지만 글로브 박스 내부의 전기 분무 시스템이 초기 실험에서 주변 대기에 노출된다. 시스템은 SE되어야이 같은 흄 후드로서, 사용자로부터 격리 된 위치에 근접 t.

1. 만성 위염 용액에 바늘의 끝을 놓습니다. 기포의 형성을 방지하기 위해, 느린 속도로 같은 150 μL / 시간을 추출 모드에서 주사기 펌프를 설정하여 주사기에 용액을 그린다.
2. 상기 노즐의 단부 수동 운동 모드에서 CNC를 사용하여 실리콘 기판의 상부 사이의 작동 거리 (여기에서는 10mm)를 설정한다. 전원 접지 리턴에 접속 된 알루미늄 접시에 도핑하고 10,000 옴-cm의 비저항을 갖는 실리콘 기판을 배치했다.
3. 주사기 펌프를 이용하여 주사기 일부 액체를 분사하여 코팅 노즐의 외부 표면을 액체의 작은 체적을 허용한다. 약 75 ~ 100 ° C의 표면 온도에서 열판을 켭니다. 노즐 표면에 건조 유리의 필름을 할 수 있도록 2 ~위한 시간을 기다립니다. 이 코팅은 스프레이의 안정성을 돕는다.

3. 전자 분무 증착만성 위염 필름의

1. 전기 클립 주사기 노즐에 직류 (DC) 전원 공급 장치를 연결한다.
2. 10 μL / hr이고, 동조 DC 전압 설정 유량이 안정된 테일러 콘을 형성 하였다 (~ 작동 거리 10mm에서 4 kV로). 고배율 카메라로 스프레이를 볼 수 있습니다.
3. 스프레이가 안정되면, 필름을 증착 기판 위에 스프레이의 CNC 운동을 시작합니다.
   1. 균일 한 두께 또는 선형 두께 분포에 대해 통과 (1-D)는 하나 차원에 대한 구불 구불 한 경로를 사용한다.
   2. 사용 긴 기판의 폭보다 거리로 전달하도록 다음 통과하기 전에 완전히 기판 오프 스프레이 이동한다. 액체의 유속은 기판상의 모든 지점에서 동일하도록이 이루어진다.
   3. LinuxCNC 소프트웨어를 이용하여 CNC 제어. 예를 들어, 패스 사이의 오프셋 0.5 mm, 20mm / 분, 그리고 패스 30 mm 길이의 속도로 구불 구불 한 경로를 부가 G 코드를 사용합니다. 그림 1 강한 사행 경로로 제조 된 필름의 개략을 나타내고, 또한, 좌표 시스템을 정의한다.
4. 100, 125, 150 및 175 ° C, 200 ° C에서 16 시간에서 1 시간마다 진공 열처리의 일련의 증착 필름을 될 수 있습니다. 열처리 파라미터들의 최적화는이 문서의 주제 결과 섹션에서 제시된다.

만성 위염 필름 4. 특성

1. 잔류 용매 제거의 특성
   1. 샘플에 매번 동일한 위치를 측정하는, 열처리 조건에 걸쳐 주기적으로 송신 FTIR 스펙트럼을 가지고. 샘플 단계에서 기판의 윤곽을 그리고이 윤곽 내에서 측정이 수행 될 때마다 놓습니다.
      1. FTIR 소프트웨어에서 7,000cm ^-1 500cm에로 스캔 범위에서 "벤치"탭 형식으로 64 클릭으로 스캔의 수 "실험 설정"및 유형을 클릭합니다 ^-1. 클릭하여 기기에서 바로 샘플 무대와 배경 검사를 받아 "배경을 수집합니다." 그 다음 단계에서 샘플을 배치하고, 샘플의 스펙트럼을 위해 "수집 샘플"을 클릭합니다.
   2. 용매의 제거를 추적하기 위해, 필름 매트릭스 유기 흡수량의 크기를 추정한다. FTIR 소프트웨어에서, 약, 관심의 스펙트럼 범위에서 2,300-3,600 cm을 기준을 그리는 ^-1. 소프트웨어는 사용자가 지정한 기준에 대하여 샘플의 투과 스펙트럼 밑의 면적을 산출한다.
2. 도막 두께 측정
   1. 어두운 기판은 일반적으로 가벼운 압력으로 하나 긁는 동작에서 발생하는 밝은 컬러 필름 사이에 보일 때까지, 좋은 점 핀셋 필름을 스크래치. 압축 질소로 긁힘에 의한 파편을 제거합니다.
      1. 접촉 프로파일로 미터를 사용하여 블랭킷 필름의 두께를 측정기판하는 막으로 단차를 결정한다. 열기 "측정 설정"및 0.1 mm / 초의 스캔 속도를 입력, 500 μm의의 스캔 길이.
      2. 스크래치의 위치 및 스크래치가 좌우 방향으로 배향되도록 상기 샘플을 회전 스테이지 상에 시료를 놓는다. 십자선 그냥 스크래치 이하 있도록 무대를 이동하고 클릭하여 표면 검사를 시작합니다 "측정을."
      3. 스캔이 완료되면, 그들은 모두 필름 표면에이되도록 R과 M 커서를 끌어 표면 프로파일을 수준으로 "2 층 포인트 선형"을 클릭합니다. 스크래치의 바닥에 하나의 커서를 이동하고 Y 차원에서 각 커서 위치 사이의 거리를 적어 둡니다. 여러 위치에서 측정 된 막 두께 데이터의 평균 두께 및 분산을 얻었다.
   2. 1 수직 (필름 전체에 걸쳐 프로파일로 스캔하여 불균일 두께 필름의 두께 프로파일을 결정) 필름을 증착하고, 위치 대 막 두께의 그래프를 생성하기 위해 표면 조도를 사용하는 데 -D 모션.
      1. 의 필름, 보통 10-20mm의 폭보다 더 적절한 검사 길이를 입력하여 전체 영화를 통해 스캔 "측정 설정을." 필름의 일면에 코팅되지 않은 기판 상에 십자선을 놓고 필름의 다른면에 코팅 된 기판의 검사를 완료 할 수 있도록 프로파일로 "측정"을 클릭. 오른쪽 .csv 파일로 표면 프로파일 및 내보내기를 클릭합니다.
      2. 기판 신뢰성 두께 데이터를 획득하기에 충분히 평평하지 않으면 대안, 필름 전체에 걸쳐 약 1 mm 사이의 긁힘 및 스캔 프로파일로 상기 기판 아래로 막을 긁어. 각 스크래치의 두께와 가로 위치를 기록,이 데이터 포인트의 위치 대 막 두께의 그래프를 만들 수 있습니다.
3. 흰색 광 간섭계와 표면 거칠기를 측정^(13).이 경우에는 5 배 목표를 사용하여 414 μm의 X 414 ㎛, 전체 측정 영역에 걸쳐 간섭 무늬를 생성하는 데 초점과 무대 기울기를 조정합니다. 데이터의 평균 조도 변화를 결정하기 위해 균일 한 두께의 막에 걸쳐 오 측정을 수행.
4. 600-1,700 nm 파장 범위의 엘 립소 미터 ^(14)의 굴절률을 측정한다. 이 경우, 60 °의 입사각을 사용하여 35 ㎛의 스팟 크기로 상기 빔을 포커스.
   1. 네이티브 산화물 층의 두께를 결정하기 위해 데이터를 끼워, 코팅되지 않은 기판 상에 측정을 수행. 3 층 시스템으로 샘플을 모델링하기 위해이 정보를 사용하여 실리콘 웨이퍼 + 자연 산화막 + 증착 필름을. 데이터 맞게 코시 모델을 사용하지만, 평균 굴절률 차이를 결정하기 위해 샘플의 여러 위치에서 측정을 수행 여덟.

결과

단일 노즐 일렉트로 가진 균일 한 두께의 필름을 얻기 위해 이용되는 구불 구불 한 경로의 개략도는도 2에 도시되어있다. 같이 3 분무 사문석 모션 이루어지는 부분적으로 경화 된 ₆₀ S ₄₀ 막의 일례 전송 FTIR 스펙트럼을 나타낸다 또한 순수 에탄올 용매의 스펙트럼있다. 도 3에 도시 된 바와 같이 예 FTIR 스?...

토론

기판에 스프레이 상대적인 움직임 사문석 증착 균일 한 두께의 필름의 초기의 막 두께 분포가 증가하고있다. Y 방향 이동 거리 (기판에 도착시) 스프레이의 직경을 초과하면, 유속은 기판상의 모든 포인트는 약 동등 해지고, 두께 균일 성이 달성된다. 균일 한 두께 electrosprayed 필름 이론상 막 두께 T의 적절한 증착 변수를 결정하기 위해 이용된다. 이는 표 1의 증착 변수로부터 유도 된 ?...

자료

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