Electrospray Deposição de espessura uniforme, Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; E Como<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; Films vidro chalcogenide

Resumo

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

Resumo

-Solução baseada deposição de filmes por electropulverização, que é compatível com o processamento contínuo, rolo a rolo, é aplicado aos vidros calcogenetos. Duas composições calcogenetos são demonstradas: Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ e ₄₀ S _60, que ambos têm sido estudados extensivamente para infravermelho médio (mid-IR) dispositivos microphotonic planares. Nesta abordagem, os filmes espessura uniforme são fabricados através da utilização de movimento controlado computador numérico (CNC). vidro Chalcogenide (CHG) está escrito sobre o substrato por um único bocal ao longo de um caminho sinuoso. As películas foram submetidas a uma série de tratamentos térmicos entre 100 ° C e 200 ° C sob vácuo para eliminar solvente residual e densificar os filmes. Com base na transmissão de Fourier transformar espectroscopia de infravermelho (FTIR) e medições de aspereza de superfície, ambas as composições foram encontrados como sendo adequados para o fabrico de elementos planares operam na região do meio-IR. O solvente residualremoção verificou-se ser muito mais rápida do filme Como ₄₀ s _60, em comparação com ₂₃ Ge Sb ₇ S _70. Com base nas vantagens de electropulverização, impressão directa de um revestimento transparente do índice de refracção (GRIN) mid-IV gradiente é visionado, dada a diferença de índice de refracção das duas composições neste estudo.

Introdução

Vidros chalcogenide (ChGs) são bem conhecidos por sua ampla transmissão infravermelha e receptividade ao espessura uniforme, deposição de filmes cobertor ^1-3. Guias de onda on-chip, ressonadores, e outros componentes ópticos podem, então, ser formada a partir desta película por técnicas de litografia, e depois subsequente revestimento de polímero para fabricar dispositivos microphotonic ^4-5. Uma aplicação chave que procuramos desenvolver é dispositivos pequenos e de baixo custo, altamente sensíveis sensores químicos que operam no mid-IR, onde muitas espécies orgânicas têm assinaturas ópticas ^6. sensores químicos Microphotonic pode ser implantado em ambientes agressivos, como perto de reatores nucleares, onde a exposição à radiação (gama e alfa) é provável. Assim, um extenso estudo sobre a modificação das propriedades ópticas dos materiais electrospray CHG é crítica e será relatado em outro papel. Neste artigo, deposição de filmes de electrospray de ChGs é exibido, uma vez que é um método só recentementeaplicada a ChGs ^7.

Os métodos de deposição de filmes existentes podem ser classificadas em duas classes: as técnicas de deposição de vapor, tais como evaporação térmica de alvos CHG grandes quantidades, e técnicas derivadas de solução, tais como por spin-coating uma solução de CHG dissolvido num solvente de amina. Geralmente, os filmes derivados de soluções tendem a resultar em maior perda do sinal de luz, devido à presença de solvente residual na matriz do filme ^3, mas uma vantagem única de técnicas derivadas da solução durante a deposição de vapor é a simples incorporação de nanopartículas (por exemplo, pontos ou QDs quântica) antes spin-coating ^8-10. No entanto, a agregação das nanopartículas tem sido observado em filmes revestidos por rotação ^10. Além disso, enquanto que as abordagens de deposição e spin-coating vapor são bem adequadas para a formação de espessura uniforme, filmes de cobertura, que não se prestam bem a deposições localizadas, ou por engenharia películas de espessura não uniforme. Furthermore, scale-up de spin-coating é difícil por causa de resíduos material de alta devido ao run-off a partir do substrato, e porque não é um processo contínuo ^11.

A fim de ultrapassar algumas das limitações das técnicas de deposição de filmes actuais CHG, nós investigamos a aplicação de electrospray para o sistema de materiais de CHG. Neste processo, um pulverizador de aerossol pode ser formada a solução de CHG por aplicação de uma alta tensão de campo eléctrico ^7. Uma vez que é um processo contínuo, que é compatível com o processamento de rolo-a-rolo, perto de 100% de utilização de material é possível, o que é uma vantagem sobre spin-coating. Além disso, propuseram que o isolamento de QDs individuais nas gotículas CHG aerossol individuais poderia conduzir a uma melhor dispersão QD, devido às gotículas carregadas estar espacialmente auto-dispersante por repulsão de Coulomb, combinada com a cinética de secagem mais rápida das gotículas de área superficial elevada que minimizar o movimento de QDs devido àaumentando a viscosidade das gotículas durante o vôo ^{7, 12.} Finalmente, a deposição localizada é uma vantagem que pode ser utilizado para fabricar revestimentos GRIN. Explorações de ambos incorporação QD e GRIN fabricação de CHG com electrospray estão em andamento para ser apresentado como um artigo futuro.

Nesta publicação, a flexibilidade da electropulverização é demonstrada por ambas as deposições de filmes e localizadas espessura uniforme. Para investigar a adequação dos filmes para aplicações em fotônica planares, a transmissão transformada de Fourier espectroscopia no infravermelho (FTIR), qualidade da superfície, espessura e medições de índice de refração são utilizados.

Protocolo

Cuidado: Por favor, consulte as Folhas de Dados de Segurança (FDS) quando se trabalha com esses produtos químicos, e estar ciente dos outros riscos, tais como alta tensão, o movimento mecânico do sistema de deposição e altas temperaturas do fogão e fornos utilizados.

Nota: Comece este protocolo com vidro chalcogenide granel, que é preparado por bem conhecidas técnicas de fusão de têmpera ^2.

1. Preparação de CHG Solutions

Nota: Duas soluções são utilizados no presente estudo, Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ e S _{40 60,} ambos dissolvidos em etanolamina numa concentração de 0,05 g / ml. A preparação das duas soluções são idênticos. Executar todas as etapas desta seção dentro de um exaustor.

1. Esmagar o vidro a granel em um pó fino usando um almofariz e pilão.
2. Misturar 0,25 g de vidro com 5 ml de solvente de etanolamina.
3. Permitir 1-2 dias para a dissolução completa deo copo. Acelera a dissolução por aquecimento da solução numa placa de aquecimento com uma temperatura superficial de ~ 50-75 ° C. Aumentar a taxa de dissolução por agitação da mistura, tal como com uma barra de agitação magnética.
4. Filtrar a solução para um frasco com filtro de 0,45 um politetrafluoroetileno (PTFE) para remover quaisquer grandes precipita a partir da solução.

2. Configurando o processo de deposição

Nota: O sistema de deposição de electropulverização está representado esquematicamente na Figura 1 Neste processo, uma seringa de vidro de 50 mL com êmbolo de ponta de PTFE é utilizada.. A seringa é um estilo agulha amovível com uma, agulha de calibre 22 de diâmetro exterior (diâmetro de 0,72 milímetros externa, 0,17 mm de diâmetro interno) com ponta de cone, e está ligado à bomba de seringa orientada verticalmente do sistema de electropulverização. O sistema de electropulverização está exposto à atmosfera do ambiente nestas experiências iniciais, embora o sistema é configurado no interior de uma caixa de luvas. O sistema deve ser SET-se em um local onde ele é isolado a partir do utilizador, tal como um extractor de fumo.

1. Colocar a ponta da agulha para dentro da solução CHG. Desenhar a solução para a seringa, definindo a bomba de seringa no modo de extracto a uma velocidade lenta, tal como 150 ul / h, para prevenir a formação de bolhas.
2. Definir a distância de trabalho (10 mm neste caso) entre a extremidade do bocal e a parte superior do substrato de Si usando o CNC no modo de movimento manual. Colocar o substrato de Si, o que é não dopado e tem uma resistividade de 10,000 ohm-cm, sobre uma placa de alumínio ligada ao retorno de terra da fonte de alimentação.
3. Permitir que um pequeno volume de líquido para revestir a superfície exterior do bocal de distribuição de um líquido a partir da seringa, utilizando a bomba de seringa. Ligue placa de aquecimento a uma temperatura de superfície de cerca de 75-100 ° C. Espera durante ~ 2 h, para permitir uma película de vidro para secar sobre a superfície do bocal. Este revestimento ajuda a estabilidade do pulverizador.

3. Electrospray Depositionde CHG Films

1. Ligue a corrente contínua (DC) fonte de alimentação direta com o bico da seringa com um clipe elétrica.
2. Ajustar a taxa de fluxo de 10 l / h, e ajustar a tensão DC para formar um cone de Taylor estável (~ 4 kV a 10 mm de distância de trabalho). Ver o spray com uma câmara de alta ampliação.
3. Iniciar CNC movimento da pulverização sobre o substrato para depositar filme, uma vez que a pulverização é estável.
   1. Usar um percurso em serpentina de espessura uniforme, ou unidimensional (1-D) passa para um perfil de espessura linear.
   2. Uso passa com uma distância maior do que a largura do substrato, de tal modo que os movimentos de pulverização completamente fora do substrato antes de fazer a passagem seguinte. Isto é feito de modo a que o caudal de líquido é a mesma em cada ponto sobre o substrato.
   3. Controlar o CNC utilizando software LinuxCNC. Por exemplo, usar o código G complementar para um percurso em serpentina com 0,5 mm de deslocamento entre as passagens, velocidade de 20 mm / min, e 30 mm de comprimento das passagens. A Figura 1 mostra um diagrama esquemático de uma película feita com o percurso em serpentina e também define o sistema de coordenadas.
4. Submeter o filme depositado a uma série de tratamentos térmicos sob vácuo durante 1 hora cada a 100, 125, 150 e 175 ° C, e 16 h a 200 ° C. Uma otimização dos parâmetros de tratamento térmico é apresentado na seção Resultados representativos deste artigo.

4. Caracterização dos Films CHG

1. Caracterização de solvente residual Remoção
   1. Tomar um espectro de FTIR transmissão periodicamente durante as condições de recozimento, a medição no mesmo local sobre a amostra de cada vez. Desenhar um esboço do substrato na fase de amostra, e colocá-lo dentro desta esboço de cada vez uma medição é feita.
      1. No software FTIR, clique em "Setup Experiment", e digite o número de exames como 64. Clique para a guia "Banco" e digite a faixa de digitalização como 7.000 cm ^-1 a 500 cm ^-1. Faça uma verificação em segundo plano com apenas o estágio da amostra no instrumento, clicando em "Recolha de fundo." Em seguida, coloque a amostra no palco, e clique em "Amostra Recolha" para tirar o espectro da amostra.
   2. Para controlar a remoção de solvente, estimar o tamanho das absorções orgânicas na matriz do filme. No software FTIR, desenhar uma linha de base na faixa espectral de interesse, cerca de 2,300-3,600 cm ^-1. O software calcula a área por baixo do espectro de transmissão da amostra, em relação à linha de base designada pelo utilizador.
2. A medição da espessura de filme
   1. Arranhar o filme com uma pinça de ponta fina, até que o substrato escuro torna-se visível entre o filme de cor mais clara, que normalmente ocorre em um movimento riscar com uma leve pressão. Remover detritos causada pelo coçar com nitrogênio comprimido.
      1. Medir a espessura de filmes cobertor usando um profilometer contatopara determinar a altura do degrau a partir de película para o substrato. Open "Setup de Medição", e digite taxa de varrimento de 0,1 mm / seg, eo comprimento de digitalização de 500 mm.
      2. Colocar a amostra no palco, localizando a zero e rodando a amostra de tal modo que o zero é orientada no sentido esquerda-direita. Mova o estágio de tal forma que a cruz é apenas abaixo do zero, e iniciar o exame de superfície, clicando em "Medição".
      3. Uma vez que a verificação for concluída, arraste o R e cursores M de modo que ambos estão na superfície do filme, e clique em "Nível Dois Ponto Linear" para nivelar o perfil de superfície. Mover um cursor para a parte inferior do zero, e anote a distância entre cada posição do cursor no y-dimensão. espessura medida em vários locais para obter uma espessura média e variância dos dados.
   2. Determinar os perfis de espessura das películas de espessura não uniforme, digitalizando o perfilómetro através de toda a película (perpendicular ao 1-D movimento utilizado para depositar o filme), e utilizar este perfil de superfície para criar um gráfico da espessura da película versus posição.
      1. Digitalizar em todo o filme, inserindo um comprimento de verificação adequado maior do que a largura do filme, geralmente 10-20 mm, em "Configuração de Medição". Coloque a cruz sobre substrato não revestido de um lado do filme e clique "Medição", permitindo que o perfilómetro para completar a verificação do substrato não revestido sobre o outro lado da película. Botão direito do mouse sobre o perfil de superfície e de exportação como um arquivo .csv.
      2. Em alternativa, se o substrato não é suficientemente plana para se obter dados fiáveis ​​espessura, riscar o filme para baixo para o substrato com cerca de 1 mm entre a arranhões, e perfilómetro de verificação ao longo de toda filme. Anote a espessura ea posição horizontal em cada zero, e criar um gráfico da espessura do filme vs. posição a partir desses pontos de dados.
3. Medir a rugosidade da superfície com um interferômetro de luz branca^13. Ajustar o foco e estágio de inclinação para gerar franjas de interferência em toda a área de medição, que neste caso era 414 um x 414 mm usando o objetivo de 5x. Aqui cinco medidas ao longo da película de espessura uniforme para determinar a rugosidade média e variância dos dados.
4. Medir o índice de refracção por elipsometria ¹⁴ na gama de comprimento de onda 600-1,700 nm. Neste caso, usar um ângulo de incidência de 60 °, e focar o feixe para um tamanho de mancha de 35 um.
   1. Aqui uma medição sobre o substrato não revestido, ajustando os dados para determinar a espessura da camada de óxido nativo. Use essas informações para modelar a amostra como um sistema de três camadas: Si wafer + óxido nativo + filme depositado. Tome oito medições em diferentes locais da amostra para determinar o índice de refração média e variância, utilizando o modelo de Cauchy para ajustar os dados.

Resultados

Uma representação esquemática do percurso em serpentina utilizadas para obter películas de espessura uniforme com um único electropulverização bocal é mostrado na Figura 2. A Figura 3 mostra um espectro de exemplo transmissão de FTIR de um parcialmente curada tal como ₄₀ S ₆₀ película feita com movimento em serpentina do pulverizador, tal como bem como do espectro de etanolamina solvente puro. A partir das informações qu...

Discussão

No início de uma película de espessura uniforme depositado com movimento em serpentina do pulverizador em relação ao substrato, o perfil de espessura da película está a aumentar. Uma vez que a distância percorrida na direcção y excede o diâmetro do pulverizador (aquando da chegada ao substrato), a taxa de fluxo torna-se aproximadamente equivalente para todos os pontos sobre o substrato, e a uniformidade de espessura é alcançado. Para determinar os parâmetros de deposição adequadas de uma película de espe...

Materiais

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