Электрораспылительная Отложение равномерной толщины Ge<sub> 23</sub> Sb<sub> 7</sub> S<sub> 70</sub> И В<sub> 40</sub> S<sub> 60</sub> Халькогенидные пленки для стекла
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
Решение на основе осаждения электрораспыление пленка, которая совместима с непрерывной обработки с рулона на рулон, применяется к халькогенидных стекол. Два халькогенидных композиции продемонстрированы: Ge 23 Sb 7 S 70 и As 40 S 60, которые оба были изучены для плоских среднего инфракрасного (среднего ИК) microphotonic устройств. При таком подходе, однородные пленки толщиной изготовляются за счет использования компьютера числовым программным управлением (ЧПУ) движения. Халькогенидной стекла (CNG) записывается поверх подложки с помощью одного сопла вдоль извилистого тракта. Пленки были подвергнуты серии термической обработки в пределах от 100 ° С до 200 ° С под вакуумом, чтобы отогнать остаточный растворитель и уплотнить пленок. На основе Фурье передачи преобразования инфракрасного (FTIR) спектроскопия и шероховатость поверхности измерения, были найдены как композиции, чтобы быть пригодным для изготовления плоских устройств, работающих в средней ИК-области. Остаточный растворительудаление было установлено, что намного быстрее , для S 60 пленки из кассеты 40 по сравнению с Ge 23 Sb 7 S 70. На основе преимуществ электрораспылением, прямая печать градиента прозрачного покрытия показатель преломления (GRIN) среднего ИК предусматривается, учитывая разность показателей преломления двух композиций в данном исследовании.
Introduction
Халькогенидных стекол (CHGS) хорошо известны своей широкой инфракрасной передачей и аменабельности равномерной толщины, офсетного нанесения пленки 1-3. На кристалле волноводы, резонаторы и другие оптические компоненты затем могут быть сформированы из этой пленки с помощью методов фотолитографии, и затем последующее полимерное покрытие для изготовления microphotonic устройств 4-5. Одним из ключевых приложений , которые мы стремимся развивать это небольшие, недорогие, высокочувствительные устройства химического зондирования , работающих в среднем ИК диапазоне, где многие органические виды имеют оптические сигнатуры 6. Microphotonic химические датчики могут быть развернуты в жестких условиях эксплуатации, например, вблизи ядерных реакторов, где воздействие радиации (гамма и альфа), вероятно. Поэтому обширное исследование модификации оптических свойств электрораспылением материалов CHG является критическим и будет сообщено в другой статье. В этой статье, электрораспыление осаждение пленки CHGS проявляется, так как это метод только недавноприменительно к CHGS 7.
Существующие методы осаждения пленки можно разделить на два класса: способов осаждения из паровой фазы, такие как термическое испарение объемных CHG мишеней, и нахождение решений, полученных методами, такими как спин-покрытие раствор CHG, растворенный в растворителе амина. Как правило, раствор полученные пленки имеют тенденцию приводить к более высокой потере светового сигнала из – за наличия остаточного растворителя в матрице пленки 3, но уникальное преимущество решений , полученных методами над осаждения из паровой фазы является простое включение наночастиц (например, квантовые точки или квантовые точки) перед спин-покрытие 8-10. Тем не менее, агрегация наночастиц наблюдалось в пленках спиновых покрытием 10. Кроме того, в то время как осаждение из паровой фазы и спин-покрытия подходы хорошо подходят для формирования однородной толщины, одеяло фильмов, они не поддаются хорошо локализованным отложениями или сконструированных неодинаковой толщины пленок. Furthermore, расширение масштабов выделения покрытия затруднено из – за высокого отходов материала вследствие стекания от подложки, а также потому , что он не является непрерывным процессом 11.
Для того чтобы преодолеть некоторые из недостатков современных методов осаждения пленок CHG, мы исследовали применение электрораспылением к системе CHG материалов. В этом процессе, распыляемого аэрозоля может быть образован из раствора CHG путем применения электрического поля высокого напряжения 7. Потому что это непрерывный процесс, который совместим с обработкой с рулона на рулон, вблизи использование материала 100% возможно, что является преимуществом над спин-покрытием. Кроме того, мы предположили, что выделение отдельных квантовых точек в каплях отдельных ChG аэрозолей может привести к лучшей дисперсии квантовых точек, из-за заряженные капли будучи пространственно самодиспергирующийся путем кулоновского отталкивания, в сочетании с более быстрой кинетики сушки капель площади с высокой площадью поверхности которые сводят к минимуму движение квантовых точек из-заповышение вязкости капель в то время как в полете 7, 12. И, наконец, локализованное отложение является преимуществом , которое может быть использовано для изготовления Гринь покрытий. Исследования обоих QD инкорпорации и изготовление оскал Chg с электрораспылением В настоящее время проводятся которые должны быть представлены в следующей статье.
В данной публикации, гибкость электрораспылением демонстрируется как локализованных осаждении и однородных пленок толщиной. Для исследования пригодности пленок для плоских фотонных приложений, преобразование Фурье передачи инфракрасного (ИК) спектроскопии, качество поверхности, толщины и используются рефракционные измерения индекса.
Protocol
Representative Results
Discussion
В начале однородной толщины пленки, осажденной при змеевидной движения распылительного относительно подложки, профиль толщины пленки возрастает. После того, как расстояние, проходимое в у-направлении превышает диаметр спрея (по прибытии в подложке), скорость потока становится прибли?…
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).
