Düzgün kalınlığı Ge Elektro Biriktirme<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; Ve de<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; Chalcogenide Cam Filmleri

Özet

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

Özet

Çözüm tabanlı elektrosprey film kaplama, sürekli, roll-to-roll işleme ile uyumludur, kalkojenit gözlük uygulanır. İki kalkojenit bileşimleri gösterilmiştir: Her iki düzlemsel orta-kızılötesi (orta IR) mikrofotonik cihazlar için yoğun çalışmalar yapılmıştır Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ ve ₄₀ gibi S _60. Bu yaklaşımda, tek tip kalınlıkta filmler bilgisayar nümerik kontrollü (CNC) bir hareket kullanılarak imal edilmiştir. Kalkojenit camı (CHG) yılan gibi kıvrımlı bir yol boyunca tek bir meme ile alt-tabaka üzerine yazılmıştır. Filmler kalan çözücüyü çıkarmak ve filmleri yoğunlaştırmak için vakum altında 100 ° C ile 200 ° C arasında ısıl işlem bir dizi tabi tutuldu. iletim Fourier göre kızıl ötesi (FTIR) spektroskopi ve pürüzlülük ölçüm yüzey, her iki bileşim de orta-IR bölgesinde faaliyet düzlemsel cihazların imalatı için uygun olduğu bulunmuştur. Kalıntı solvenKaldırma Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ ile karşılaştırıldığında zamanda ₄₀ S ₆₀ film için çok daha hızlı olduğu bulunmuştur. elektrosprey avantajları göre bir gradyan refraktif indeks (GRIN) Katkı İR şeffaf kaplamanın doğrudan baskı Bu çalışmada iki bileşimlerin kırılma endeksi arasındaki fark göz önüne alındığında, öngörülmektedir.

Giriş

Kalgojenit camları (ChGs) eşit kalınlıkta, battaniye film biriktirme ^1-3 onların geniş kızılötesi iletim ve amenability için iyi bilinmektedir. Yonga üzerindeki dalga kılavuzları, rezonatörler ve diğer optik bileşenler daha sonra litografi teknikleri ile bu film oluşturulabilir, ve daha sonra takip eden bir polimer kaplama mikrofotonik cihazları ^4-5 imal etmek için. Biz geliştirmek istiyoruz bir anahtar uygulama birçok organik türün optik imzaları ⁶ olan orta-IR, faaliyet gösteren küçük, ucuz, son derece hassas bir kimyasal algılama cihazları olduğunu. Mikrofotonik kimyasal sensörler gibi radyasyon (gamma ve alfa) maruz kalma olasılığı nükleer reaktörlerde, yakın gibi sert ortamlarda dağıtılabilir. Dolayısıyla Fark elektro malzemelerin optik özelliklerinin modifikasyonu geniş bir çalışma önemlidir ve başka bir yazıda rapor edilecektir. ancak son zamanlarda bir yöntem olduğu gibi bu makalede, ChGs ve elektrosprey film kaplama, sergilenenChGs ⁷ uygulanır.

Bu toplu CHG hedeflerin termal buharlaştırma, ve spin kaplama, bir amin çözücü madde içinde çözündürülmüş CHG eden bir çözelti ile olduğu gibi çözelti-türevi teknikleri gibi buharla yerleştirme teknikleri,: Mevcut film biriktirme yöntemler iki sınıfa ayrılabilir. Genel olarak, örneğin, (çözelti türetilen filmler nedeniyle filmin matris ³ kalıntı çözücü varlığında ışık sinyalinin yüksek kaybına neden olma eğilimindedir, ancak buhar biriktirme fazla çözeltisi türetilmiş teknikleri benzersiz bir avantaj nanopartiküllerinin basit dahil olduğu, kuantum noktaları veya QD'lerin) önce spin-kaplama için ^8-10. Bununla birlikte, nanopartiküller ve çekiş spin kaplı filmler ¹⁰ gözlenmiştir. buhar biriktirme ve spin kaplama yaklaşımlar eşit kalınlıkta, battaniye filmlerin oluşmasına çok uygundur Buna ek olarak, bu, lokalize birikintilerle veya oluşturulmuş eşit olmayan kalınlıkta filmler de yardımcı olmazlar. Furthermore, spin-kaplama ölçek büyütme, çünkü run-off alt tabakadan dolayı yüksek malzeme atık zor olduğunu ve sürekli bir süreç ¹¹ değil çünkü.

Geçerli CHG film biriktirme teknikleri bazı zayıf taraflarını bertaraf etmek için, biz CHG malzemeleri sisteme elektrosprey uygulanmasını araştırdık. Bu işlemde, bir aerosol sprey, bir yüksek gerilim elektrik alanı ⁷ uygulanarak CHG çözeltisi oluşturulabilmektedir. Bu roll-to-roll işleme uyumlu sürekli bir işlem olduğu için, maddenin neredeyse% 100 kullanımı döndürmeli kaplama üzerinde bir avantaj olan, mümkündür. Ayrıca, bireysel CHG damlacıklarla tek QDS izolasyonu nedeniyle tahsil damlacıklar yüksek yüzey alanlı damlacıklarının hızlı kuruma kinetiği ile birlikte, Kulomb itme tarafından mekansal kendini dağıtma olmanın, daha iyi QD dağılımına yol açabileceği önerdi bu nedeniyle QDS hareketi en aza indirmekUçuş ^{7, 12.} Son olarak, lokalize bırakma GRIN kaplamalar imal etmek için kullanılabilir bir avantaj ise damlacıklar viskozitesi artar. elektropüskürtmeyle ile CHG hem QD Kuruluş ve GRIN imalat keşifleri şu anda gelecek bir makalede olarak sunulmak üzere devam etmektedir.

Bu yayında, elektrosprey esnekliği lokalize yeminli ve düzgün kalınlığı filmleri hem gösterilmiştir. Düzlemsel fotonik uygulamalar için film uygunluğunun saptanması için, iletim Fourier dönüşümü kızıl ötesi (FTIR) spektroskopisi, yüzey kalitesi, kalınlığı ve kırılma indisi ölçümleri kullanılır dönüşümü.

Protokol

Dikkat: Bu kimyasallar ile çalışırken (MSDS) Malzeme Güvenlik Bilgi Formuna bakınız ve bu yüksek gerilim, birikim sisteminin mekanik hareket ve kullanılan ocak ve fırınların yüksek sıcaklıklarda gibi diğer tehlikelerin farkında olun.

Not: iyi bilinen eriyik söndürme teknikleri ² tarafından hazırlanan toplu kalkojenit cam ile bu protokolü başlayın.

Fark Çözümleri hazırlanması 1.

Not: iki çözelti bu çalışmada kullanılır, Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ ve ₄₀ olarak S _60, 0.05 g / ml bir konsantrasyonda etanolamin içinde çözüldü, her iki. iki çözeltinin hazırlanması aynıdır. Davlumbaz içinde bu bölümdeki tüm adımları uygulayın.

1. bir havan ve havan tokmağı kullanılarak ince bir toz haline yığın camın ezmek.
2. etanolamin çözücü 5 ml cam 0.25 g karıştırın.
3. İzin tamamen erimesi için 1-2 güncam. ~ 50-75 ° C'lik bir yüzey sıcaklığına sahip bir sıcak plaka üzerinde çözeltiyi ısıtarak çözünme hızlandırır. bir manyetik karıştırma çubuğu ile, karışım karıştırılarak çözünme hızını arttırır.
4. 0.45 um politetrafloroetilen (PTFE) filtreli bir şişe içine filtre solüsyonu solüsyondan bir büyük çökeltiler kaldırın.

2. Biriktirme Süreci ayarlama

Not: elektrosprey yerleştirme sistemi, Şekil 1 'de şematik olarak gösterilmektedir, bu işlemde, PTFE uçlu piston ile 50 ul bir cam şırınga kullanılır.. şırınga konik uçlu, 22 numaralı dış çaplı bir iğne (0.72 mm dış çapa, 0.17 mm iç çap) sahip, çıkarılabilir bir iğne tarzında olup, elektrosprey sistemin dikey olarak yönlendirilmiş şırınga pompasına bağlanır. Sistem set-up olsa bir torpido gözünün içinde elektrosprey sistemi, bu ilk deneylerde ortam atmosferine maruz kalmaktadır. Sistem se olmalıdırBöyle bir davlumbaz olarak, kullanıcı izole edilen bir konumda T makyaj.

1. CHG çözeltisinin içine iğne ucunu yerleştirin. kabarcıkların oluşumunu önlemek için, yavaş bir hızda gibi 150 ul / saat özü modunda şırınga pompası ayarlayarak enjektöre çözüm çizin.
2. memenin ucu ve elle hareket modunda CNC ile Si alt-tabaka üst kısmı arasında bir çalışma mesafesi (bu durumda 10 mm) ile. Güç kaynağı toprak geri bağlı olan bir alüminyum plaka üzerinde, katkısız ve 10,000 ohm-sm arasında bir dirençliliğe sahip Si alt tabaka, koyun.
3. şırınga pompası kullanılarak şırınga biraz sıvı dağıtarak kaplamak için memenin dış yüzeyi küçük bir sıvı hacmi izin verin. yaklaşık 75-100 ° C'lik bir yüzey sıcaklığında ocak gözünü açın. meme yüzeyinde kurumaya cam filmi izin 2 ~ için saat bekleyin. Bu kaplama, sprey stabilitesini yardımcı olur.

3. Elektro BiriktirmeDeğ Filmlerinin

1. bir elektrik klip ile şırınga memeye doğru akım (DC) güç kaynağını bağlayın.
2. 10 ul / saat ve melodi DC gerilim Set akış hızı istikrarlı Taylor koni oluşturacak şekilde (~ çalışma mesafesi 10 mm 4 kV). Yüksek büyütme kamera ile sprey görüntüleyin.
3. Sprey istikrarlı bir kez, filmin yatırmak substrat üzerinde sprey CNC hareket başlatın.
   1. üniform kalınlıkta ya da doğrusal bir kalınlık profili geçer (1-D) tek boyutlu bir serpantin yol kullanın.
   2. Kullanım uzun alt-tabaka genişliğinden bir mesafe ile geçer, bu, bir sonraki geçiş yapmadan önce tamamen alt-tabakanın dışına püskürtme hareket eder. sıvının akış hızı alt tabaka üzerinde her noktada aynı olduğu için yapılır.
   3. LinuxCNC yazılımını kullanarak CNC kontrol edin. Örnek olarak, geçişler arasında ofset 0.5 mm, 20 mm / dakika ve geçiş 30 mm uzunluğunda hıza sahip bir serpantin yol için ilave G kodunu kullanır. Şekil 1 Mutlaka serpantin yol ile yapılan bir film şematik bir görünüşünü göstermektedir ve koordinat sistemini tanımlar.
4. 100, 125, 150 ve 175 ° C ve 200 ° C de 16 saat, 1 saat, her vakum altında ısıl işlem bir dizi biriken film Konu. Isıl işlem parametrelerinin bir optimizasyon bu makalenin Temsilcisi Sonuçlar bölümünde sunulmuştur.

Fark Filmleri 4. Karakterizasyonu

1. Kalıntı çözücü uzaklaştırılarak karakterizasyonu
   1. numune üzerinde her zaman aynı konuma ölçme, tavlama koşulları boyunca periyodik olarak bir iletim FTIR spektrumu atın. örnek sahnede substratın bir taslak çizmek ve bu çerçevesi içinde bir ölçü alınır her zaman yerleştirin.
      1. FTIR yazılımında, 7000 cm ^-1 500 cm gibi tarama aralığı "Bench" sekmesine ve türüne 64. tıklayınız olarak tarar sayısında "Deney Setup" ve türünü tıklatın ^-1. Tıklayarak enstrüman sadece örnek sahne ile bir arka plan tarama "Take Background toplayın." Sonra sahnede örnek yerleştirin ve numunenin spektrumu çekmek için "Toplama Sample" tıklayın.
   2. çözücü kaldırılmasını izlemek için film matriks içinde organik absorpsiyon boyutunu tahmin. FTIR yazılımında, yaklaşık, ilgi spektral aralıkta 2,300-3,600 cm bir temel çizmek ^-1. Yazılım kullanıcı tarafından belirlenen taban göre numune, iletim spektrumunun altında alan hesaplar.
2. Film Kalınlığı Ölçümü
   1. Koyu alt tabaka, genellikle hafif bir baskı ile bir tırmalama hareket meydana açık renkli film arasında görünür hale gelinceye kadar, ince nokta cımbız ile filmi Scratch. Sıkıştırılmış azot ile çizilmeye neden pislikleri temizleyin.
      1. Bir kişi profilometre kullanılarak battaniye filmlerin kalınlığını ölçmekfilmin alt-tabakaya, Basamak yüksekliğini belirlemek için. Aç "Ölçüm Ayar," ve 0.1 mm / sn tarama hızı yazın ve 500 mikron tarama uzunluğu.
      2. çizilmeye bulma ve çizilmeye sol-sağ yönde yönlendirilmiş öyle ki örnek dönen, sahnede örnek yerleştirin. çapraz kıllar sadece sıfırdan altında olacak şekilde sahne taşıyın ve tıklayarak yüzey taraması başlar "Ölçüm."
      3. Tarama bittikten sonra, hem film yüzeyinde böylece R ve M imleçler sürükleyin ve yüzey profili seviyeye "Seviye İki Nokta Linear" butonuna tıklayınız. sıfırdan altına bir imleci hareket ettirin, ve y-boyutunda her imleç konumu arasındaki mesafeyi bir yere yazın. Birden fazla yerde kalınlığını verilerde bir ortalama kalınlığa ve varyans elde edildi.
   2. 1 dik (tüm film boyunca profilometre tarayarak muntazam olmayan kalınlıkta filmlerin kalınlıkları profillerini belirlemek) Filmi yatırmak ve pozisyon vs film kalınlığı bir grafik oluşturmak için bu yüzey profili kullanmak için kullanılan -D hareket.
      1. film, genellikle 10-20 mm, genişliği daha büyük bir uygun tarama uzunluğu girerek tüm film boyunca tarama "Ölçüm Kur." Filmin bir tarafında kaplanmamış alt tabaka üzerinde çapraz kıllar yerleştirin ve filmin diğer tarafında kaplanmamış alt tabaka üzerinde tarama işlemini tamamlamak için profilometre izin "Ölçme," butonuna tıklayınız. Sağ bir .csv dosyası olarak yüzey profili ve ihracat üzerine tıklayın.
      2. Alt tabaka güvenilir kalınlık verileri elde etmek için yeterli düz değilse, alternatif olarak, tüm film boyunca yaklaşık 1 çizikler arasındaki mm ve tarama profilometreyle alt tabakaya aşağı filmi kazıyın. Her sıfırdan de kalınlığı ve yatay konumunu bir yere yazın ve bu veriler noktalardan pozisyon vs film kalınlığının bir grafik oluşturmak.
3. bir beyaz ışık interferometresi ile yüzey pürüzlülüğü ölçün^13. Bu durumda 5x objektif kullanılarak 414 mm x 414 mm oldu tüm ölçüm alanı üzerinde girişim saçakları oluşturmak için odak ve sahne eğimini ayarlayın. Verilerin ortalama pürüzlülüğü ve varyansının tespiti için üniforma kalınlığı filmin genelinde beş ölçüm alın.
4. 600-1,700 nm dalga aralığında bir Elipsometre ¹⁴ refraktif indeksi ölçün. Bu durumda, 60 ° geliş açısı kullanımı ve 35 um arasında bir noktada boyutuna ışın odak.
   1. doğal bir oksit tabakasının kalınlığı belirlemek için veri filtreleri, kaplanmamış alt tabaka üzerinde ölçüm yapılmalıdır. Üç katmanlı bir sistem olarak örnek modellemek için bu bilgileri kullanabilirsiniz: Si gofret + yerli oksit + tevdi filmi. verilere uygun Cauchy modeli kullanarak, ortalama kırılma endeksi ve varyansının tespiti için numune üzerinde farklı konumlarda sekiz ölçün.

Sonuçlar

Tek meme Elektrospreyli aynı kalınlıkta filmler elde etmek için kullanılan kavisli bir yolda bir şematik temsili Şekil 2'de gösterilmektedir. Gibi, 3 sprey serpentin hareketi ile yapılan kısmen vulkanize ₆₀ S ₄₀ olarak filmin bir örneği iletim FTIR spektrumu göstermektedir iyi saf etanolamin çözücü spektrumu olarak. Şekil 3'te gösterildiği gibi FTIR spektrumları elde edi...

Tartışmalar

alt-tabaka için sprey nisbetle serpentin hareketi tevdi muntazam kalınlıkta bir film başlangıcında, film kalınlığı profili artmaktadır. Y-yönünde kat edilen mesafe (alt-tabaka girişte) sprey çapını aşması halinde, akış oranı alt-tabaka üzerine her nokta için yaklaşık olarak eşit olur, ve kalınlık düzgünlüğü elde edilir. muntazam kalınlıkta electrosprayed film, teorik film kalınlığı, T uygun bırakma parametreleri belirlemek için kullanılır. Bu, Tablo 1 'de ...

Malzemeler

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