均一な厚さのGeのエレクトロスプレーデポジション<sub> 23</sub> Sbの<sub> 7</sub> S<sub> 70</sub>と同様に<sub> 40</sub> S<sub> 60</sub>カルコゲナイドガラスフィルム
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
溶液ベースのエレクトロ成膜、連続的なロール・ツー・ロール処理と互換性がある、カルコゲナイドガラスに適用されます。二つのカルコゲナイド組成物が実証されています。両方の平面中赤外（中間IR）たマイクロデバイスのために広く研究されてきたのGe 23 Sbの7 S 70とS 60 40のように、。このアプローチでは、均一な厚さの膜は、コンピュータ数値制御（CNC）の動きを使用することによって製造されます。カルコゲナイドガラス（CHG）は、蛇行経路に沿って単一のノズルにより基板上に書かれています。フィルムは、残留溶媒を追い出すと膜を緻密化するために、真空下、100℃と200℃との間の熱一連の治療を行いました。透過型フーリエ変換に基づいて、赤外（FTIR）分光法及び表面粗さの測定値を変換する、両方の組成物は、中間IR領域で動作するプレーナデバイスの製造に適していることが見出されました。残留溶媒除去は、Geの23のSb 7 S 70と比較して同様に40 S 60のフィルムのためにはるかに高速であることが判明しました。エレクトロスプレーの利点に基づいて、勾配屈折率（GRIN）中間IR透明コーティングの直接印刷は、この研究における2つの組成物の屈折率の差を考慮すると、想定されます。
Introduction
カルコゲナイドガラス（ChGs）は均一な厚さ、ブランケット成膜1-3への幅広い赤外線伝送および従順でよく知られています。オンチップ導波路、共振器、及び他の光学部品は、その後、リソグラフィ技術によって、このフィルムから形成することができ、その後のポリマーコーティングは、たマイクロデバイス4-5を製造します。我々が開発しようと一つのキーアプリケーションは、多くの有機化学種を光署名6を有する中赤外で動作する小型で安価な、高感度の化学物質感知装置、です。たマイクロ化学センサは、放射線（ガンマおよびアルファ）への暴露の可能性がある原子炉、近くなど過酷な環境で展開することができます。したがってCHGエレクトロ材料の光学特性の変更の広範囲な研究が重要であり、別の論文で報告されます。それはごく最近の方法であるとして、この記事では、ChGsのエレクトロ成膜は、展示されていますChGs 7に適用されます。
蒸着のようなバルクCHGターゲットの熱蒸着などの技術、およびこのようなアミン系溶媒に溶解したCHGのスピンコーティング液などによって溶液由来の技術、既存の成膜方法は、2つのクラスに分類することができます。一般に、溶液由来の膜起因フィルムマトリックス3中の残留溶媒の存在下に光信号のより高い損失をもたらす傾向があるが、蒸着オーバー溶液由来の技術の固有の利点は、ナノ粒子の単純な組み込み（ 例えば、ありますスピンコーティングする8-10前の量子ドットまたは量子ドット）。しかし、ナノ粒子の凝集は、スピンコート膜10で観察されています。蒸着やスピンコーティングの方法は、均一な厚さ、ブランケットフィルムの形成に適している間に加えて、それらは、局所沈着、または操作された不均一な厚さのフィルムに十分役立ちません。 Furthermore、スピンコーティングのスケールアップが原因流出する基板から高い材料の廃棄物が困難であり、継続的なプロセス11ではないからです。
現在CHG成膜技術の制限の一部を克服するために、我々は、CHGの材料系にエレクトロスプレーの適用を検討しました。このプロセスでは、エアゾールスプレーは、高電圧電界7を適用することによって、CHG溶液を形成することができます。それはロール・ツー・ロール処理に対応している連続的なプロセスであるため、材料のほぼ100％の使用は、スピンコーティングよりも有利であることが可能です。加えて、我々は個々のCHGのエアロゾル液滴内の単一量子ドットの単離が原因で荷電液滴が高表面積滴のより迅速な乾燥速度と組み合わせて、クーロン反発力によって、空間的自己分散性であることに、より良いQD分散につながることができることを提案していますそれが原因にQDの動きを最小限に抑えます機内7、12。最後に、局部的な堆積は、GRINコーティングを製造するために利用することができるという利点があるが、液滴の粘度を増大させます。エレクトロとCHGの両方QD取り込みとGRIN製造の探求は、現在、今後の記事として提出することが行われています。
この公報では、エレクトロスプレーの柔軟性は、ローカライズされた堆積物と均一な厚さのフィルムの両方によって実証されています。平面フォトニックアプリケーションのためのフィルムの適合性を調べるために、透過フーリエ変換赤外（FTIR）分光法、表面品質、厚さ、及び屈折率測定を利用するトランスフォーム。
Protocol
Representative Results
Discussion
基材にスプレーに対する蛇行運動で堆積均一な厚さのフィルムの初めに、膜厚分布が増加しています。 y方向に移動した距離は、（基板到着時）スプレーの直径を超えると、流速は、基板上の各点に対してほぼ同等となり、厚さの均一性が達成されます。均一な厚エレクトロフィルム、理論的な膜厚、Tの適切な蒸着パラメータを決定するために、利用されています。この表1に示?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Funding for this work was provided by Defense Threat Reduction Agency contracts HDTRA1-10-1-0073: HDTRA1-13-1-0001.
Materials
| 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 |
References
- Novak, J., et al. Evolution of the structure and properties of solution-based Ge23Sb7S70 thin films during heat treatment. Mat. Res. Bull. 48, 1250-1255 (2013).
- Musgraves, J. D., et al. Comparison of the optical, thermal and structural properties of Ge-Sb-S thin films deposited using thermal evaporation and pulsed laser deposition techniques. Acta Materiala. 59, 5032-5039 (2011).
- Zha, Y., Waldmann, M., Arnold, C. B. A review on solution processing of chalcogenide glasses for optical components. Opt. Mat. Exp. 3 (9), 1259-1272 (2013).
- Chiles, J., et al. Low-loss, submicron chalcogenide integrated photonics with chlorine plasma etching. Appl. Phys. Lett. 106, 11110 (2015).
- Hu, J., et al. Demonstration of chalcogenide glass racetrack microresonators. Opt. Lett. 38 (8), 761-763 (2008).
- Singh, V., et al. Mid-infrared materials and devices on a Si platform for optical sensing. Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 014603 (2014).
- Novak, S., Johnston, D. E., Li, C., Deng, W., Richardson, K. Deposition of Ge23Sb7S70 chalcogenide glass films by electrospray. Thin Solid Films. 588, 56-60 (2015).
- Kovalenko, M. V., Schaller, R. D., Jarzab, D., Loi, M. A., Talapin, D. V. Inorganically functionalized PbS-CdS colloidal nanocrystals: integration into amorphous chalcogenide glass and luminescent properties. J. Am. Chem. Soc. 134, 2457-2460 (2012).
- Novak, S., et al. Incorporation of luminescent CdSe/ZnS core-shell quantum dots and PbS quantum dots into solution-derived chalcogenide glass films. Opt. Mat. Exp. 3 (6), 729-738 (2013).
- Lu, C., Almeida, J. M. P., Yao, N., Arnold, C. Fabrication of uniformly dispersed nanoparticle-doped chalcogenide glass. Appl. Phys. Lett. 105, 261906 (2014).
- Zhao, X. -. Y., et al. Enhancement of the performance of organic solar cells by electrospray deposition with optimal solvent system. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 121, 119-125 (2014).
- Novak, S. . Electrospray deposition of chalcogenide glass films for gradient refractive index and quantum dot incorporation [dissertation]. , (2015).
- Tolansky, S. New contributions to interferometry, with applications to crystal studies. J. Sci. Instrum. 22 (9), 161-167 (1945).
- Archer, R. J. Determination of the properties of films on silicon by the method of ellipsometry. J. Opt. Soc. Am. 52 (9), 970-977 (1962).
- Hu, J., et al. Optical loss reduction in high-index-contrast chalcogenide glass waveguides via thermal reflow. Opt. Exp. 18 (2), 1469-1478 (2010).
- Hu, J., et al. Exploration of waveguide fabrications from thermally evaporated Ge-Sb-S glass films. Opt. Mater. 30, 1560-1566 (2008).
- Song, S., Dua, J., Arnold, C. B. Influence of annealing conditions on the optical and structural properties of spin-coated As2S3 chalcogenide glass thin films. Opt. Exp. 18 (6), 5472-5480 (2010).
- Deng, W., Klemic, J. F., Li, X., Reed, M. A., Gomez, A. Increase of electrospray throughput using multiplexed microfabricated sources for the scalable generation of monodisperse droplets. J. Aerosol. Sci. 37 (6), 696-714 (2006).
