Elektro Nedfall av jevn tykkelse Ge<sub> 23</sub> Sb<sub> 7</sub> S<sub> 70</sub> Og As<sub> 40</sub> S<sub> 60</sub> Chalcogenide Glass Films
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
Løsning basert elektro film deponering, som er kompatibel med kontinuerlig, rull-til-rull behandling, påføres chalcogenide briller. To chalcogenide komposisjoner demonstreres: Ge 23 Sb 7 S 70 og som 40 S 60, som har både blitt studert for plane mid-infrarødt (mid-IR) microphotonic enheter. Ved denne metode blir jevn tykkelse filmer fremstilt ved bruk av numerisk datamaskinstyrt (CNC) bevegelse. Chalcogenide glass (CHG) er skrevet over underlaget ved en enkelt dyse langs en serpentin sti. Filmer ble underkastet en serie med varmebehandlinger mellom 100 ° C og 200 ° C under vakuum for å drive av gjenværende oppløsningsmiddel og fortette filmene. Basert på overføring Fourier transform infrarød (FTIR) -spektroskopi og overflateruhet målinger ble begge preparater funnet å være egnet for fremstilling av plane enheter som opererer i midt IR-regionen. residual løsemiddelfjernelse ble funnet å være mye raskere for As 40 S 60 film, sammenlignet med Ge 23 Sb 7 S 70. Basert på fordelene ved elektrospray, er direkte utskrift av en gradient brytningsindeks (GRIN) mid-IR-transparent belegg for seg, gitt av forskjellen i brytningsindeksen for de to blandingene i denne studien.
Introduction
Chalcogenide briller (chgs) er godt kjent for sitt brede infrarød overføring og amenability til jevn tykkelse, teppe film deponering 1-3. On-chip bølgeledere, resonatorer og andre optiske komponenter kan deretter bli dannet fra denne film ved litografi teknikker, og deretter påfølgende polymerbelegg for å fremstille microphotonic enhetene 4-5. Et sentralt program som vi søker å utvikle er små, rimelige, svært sensitive kjemiske sensing enheter som opererer i mid-IR, hvor mange organiske arter har optiske signaturer 6. Microphotonic kjemiske sensorer kan utplasseres i tøffe miljøer, for eksempel i nærheten av atomreaktorer, hvor eksponering for stråling (gamma og alfa) er sannsynlig. Derav en omfattende studie av modifikasjonen av optiske egenskapene til CHG elektrospray materialene er kritisk og vil bli rapportert i et annet papir. I denne artikkelen blir elektrospray film avsetning av chgs stilt, så det er en metode bare nyligpåføres chgs 7.
De eksisterende film avsetningsfremgangsmåter kan inndeles i to klasser: dampavsetningsteknikker, slik som termisk fordampning av bulk Chg mål, og løsnings-avledede teknikker, slik som ved spin-belegge en løsning av CHG oppløst i et aminløsningsmiddel. Vanligvis løsnings-avledede filmer har en tendens til å resultere i høyere tap av lyssignalet på grunn av tilstedeværelsen av gjenværende løsningsmiddel i filmen matrisen 3, men en unik fordel av løsnings-avledede teknikker enn dampavsetning er den enkle inkorporering av nanopartikler (f.eks kvanteprikker eller QDS) før spin-belegg 8-10. Imidlertid aggregering av nanopartikler er blitt observert i spinnbelagt film 10. I tillegg, mens damp deponering og spin-coating tilnærminger er godt egnet til dannelse av jevn tykkelse, teppe filmer, har de ikke egner seg godt til lokaliserte avsetninger, eller utviklet non-uniform tykkelse filmer. Furthermore, er oppskalering av spin-coating vanskelig på grunn av høy materialavfall på grunn av avrenning fra substratet, og fordi det ikke er en kontinuerlig prosess 11.
For å overvinne noen av begrensningene i dagens CHG film deponering teknikker, har vi undersøkt bruken av elektro til CHG materialer system. I denne prosessen, kan en aerosolspray være dannet av CHG oppløsningen ved å påføre en høyspent elektrisk felt 7. Fordi det er en kontinuerlig prosess som er kompatibel med rull til rull behandling, i nærheten av 100% anvendelse av materiale mulig, noe som er en fordel i forhold spin-coating. I tillegg har vi foreslått at isolering av enkelt QDS i de enkelte Chg aerosoldråpene kan føre til bedre QD dispersjon, på grunn av de ladede dråper blir romlig selv-dispergerende av Coulombic frastøtning, kombinert med de raskere tørkekinetikken av det store overflateareal dråper at minimere bevegelsen av QDS på grunn avøkende viskositet av dråpene, mens i-flight 7, 12. Til slutt, er lokalisert avsetning en fordel som kan anvendes for å fremstille flir belegg. Utforskning av både QD innlemmelse og GRIN fabrikasjon av CHG med elektro er for tiden i gang med å bli sendt som en fremtidig artikkel.
I denne publikasjonen, er fleksibiliteten i elektro demonstrert av både lokale avsetninger og jevn tykkelse filmer. For å undersøke om de egner seg filmer for plane fotoniske anvendelser overføring Fourier transform infrarød (FTIR) -spektroskopi, overflatekvalitet, tykkelse og brytningsindeks-målinger blir utnyttet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved begynnelsen av en ensartet tykkelse film avsettes med serpentin bevegelse av sprøyte i forhold til substratet, blir filmen tykkelsesprofilen økende. Når avstanden i y-retningen overskrider diameteren av sprøyte (ved ankomst til substratet), blir strømningshastigheten tilnærmet lik for hvert punkt på substratet, og tykkelsen ensartethet er oppnådd. For å bestemme de aktuelle deponeringsparametrene for en jevn tykkelse electrosprayed film, teoretisk filmtykkelse, T, benyttes. Dette er gitt ved ligning 1, som …
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).
