Elektro Deposition jämntjock Ge<sub> 23</sub> Sb<sub> 7</sub> S<sub> 70</sub> Och As<sub> 40</sub> S<sub> 60</sub> kalkogenidglas 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
Lösningsbaserade elektrospray filmavsättning, vilket är kompatibelt med kontinuerlig, rulle-till-rulle bearbetning, appliceras på chalcogenide glasögon. Två chalcogenide kompositioner demonstreras: Ge 23 Sb 7 S 70 och som 40 S 60, som båda har studerats ingående för plana mellaninfraröda (mid-IR) microphotonic enheter. I detta tillvägagångssätt är jämntjock film tillverkas genom användning av dator numeriskt styrd (CNC) rörelse. Kalkogenidglas (CHG) skrivs över substratet genom ett enda munstycke utmed en serpentinbana. Filmer utsattes för en serie av värmebehandlingar mellan 100 ° C och 200 ° C under vakuum för att avdriva kvarvarande lösningsmedel och förtäta filmerna. Baserat på transmissions Fourier transform infraröd (FTIR) -spektroskopi och ytgrovhet mätningar, var båda kompositionerna befunnits vara lämplig för tillverkning av plana anordningar som arbetar i mitten av IR-området. kvarvarande lösningsmedelavlägsnande befanns vara mycket snabbare för As 40 S 60 film jämfört med Ge 23 Sb 7 S 70. Baserat på fördelarna med elektro är direkt utskrift av en gradient brytningsindex (GRIN) i mitten av IR-transparent beläggning tänkt, med tanke på skillnaden i brytningsindex för de två kompositionerna i denna studie.
Introduction
Chalcogenide glasögon (ChGs) är känd för sin breda infraröd överföring och mottaglighet för enhetlig tjocklek, filt filmavsättning 1-3. On-chip vågledare, resonatorer och andra optiska komponenter kan sedan bildas från denna film av litografitekniker, och sedan efterföljande polymerbeläggning för att tillverka microphotonic enheter 4-5. En viktig applikation som vi sträva efter att utveckla är små, billiga, mycket känsliga kemiska avkänningsanordningar är verksamma i mitten av IR, där många organiska ämnen har optiska signaturer 6. Microphotonic kemiska sensorer kan användas i tuffa miljöer, t.ex. i närheten av kärnreaktorer, där exponering för strålning (gamma och alfa) är sannolikt. Därför en omfattande studie av ändringen av optiska egenskaper hos CHG elektrospray material är kritisk och kommer att redovisas i en annan papper. I den här artikeln, är elektro film avsättning av ChGs ut, eftersom det är en metod först nyligenappliceras på ChGs 7.
De existerande filmavsättningsmetoder kan kategoriseras i två klasser: ångdeponeringstekniker, såsom termisk förångning av bulk Chg mål, och lösningshärledda tekniker, såsom genom spinnbeläggning av en lösning av ChG löst i ett aminlösningsmedel. Allmänhet, lösningshärledda filmerna tenderar att resultera i högre förlust av ljussignalen på grund av närvaron av kvarvarande lösningsmedel i filmmatrisen 3, men en unik fördel av lösningshärledda tekniker över ångavsättning är den enkla inkorporering av nanopartiklar (t.ex. kvantprickar eller QDs) före spin-beläggning 8-10. Emellertid har aggregering av nanopartiklar observerats i spinnbelagda filmer 10. Dessutom, medan ångavsättning och spin-beläggning metoder är väl lämpade för bildandet av en enhetlig tjocklek, filt filmer, att de inte lämpar sig väl för lokala nedfall, eller manipulerade icke-enhetlig tjocklek filmer. Furthermore, är uppskalning av rotationsbeläggning svår på grund av höga materialspill på grund av avrinning från substratet, och eftersom det inte är en kontinuerlig process 11.
För att övervinna några av begränsningarna hos nuvarande CHG filmavsättningstekniker, har vi undersökt tillämpningen av elektrospray till CHG material systemet. I denna process, kan en aerosolspray vara bildad av CHG-lösning genom att anbringa en hög spänning elektriskt fält 7. Eftersom det är en kontinuerlig process som är kompatibel med rulle-till-rulle bearbetning, är nära 100% användning av material som möjligt, vilket är en fördel jämfört med spinnbeläggning. Dessutom har vi föreslagit att isolering av enstaka QDs i de enskilda ChG aerosoldroppar skulle kunna leda till bättre QD dispersion, på grund av att de laddade små dropparna att vara rumsligt själv dispergerings- genom Coulombic repulsion, i kombination med de snabbare torkning kinetiken för de små dropparna med hög ytarea som minimerar rörelsen av QDs på grund av denökande viskositet av dropparna medan under flygning 7, 12. Slutligen är lokaliserad avsättning en fördel som kan utnyttjas för att fabricera GRIN beläggningar. Utforskning av både QD inkorporering och GRIN tillverkning av ChG med elektro pågår för att läggas fram som en framtida artikel.
I denna publikation är flexibiliteten i elektro framgår av både lokala nedfall och enhetlig tjocklek filmer. För att undersöka lämpligheten av filmer för plana fotoniska applikationer, överföring Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi, ytkvalitet, tjocklek och brytningsmätningar index utnyttjas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vid början av en likformig tjocklek film avsatt med serpentin rörelse av spray i förhållande till substratet är filmen tjockleksprofil ökar. När väl tillryggalagda sträckan i y-riktningen överstiger diametern hos den spray (vid ankomsten till substrat), blir flödeshastigheten ungefär ekvivalent för varje punkt på substratet, och tjockleksenhetlighet uppnås. Att fastställa lämpliga deponeringsparametrarna för en jämn tjocklek electrosprayed film, teoretisk filmtjocklek, T, utnyttjas. Detta ges av ekvat…
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).
