Summary

Electrospray ترسب الموحد سمك قه<sub> 23</sub> بينالي الشارقة<sub> 7</sub> S<sub> 70</sub> وكما<sub> 40</sub> S<sub> 60</sub> اعتماد chalcogenide زجاج أفلام

Published: August 19, 2016
doi:

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

الحل القائم على فيلم electrospray الترسيب، والذي يتوافق مع المستمر، وتجهيز لفة إلى لفة، وتطبيقها على نظارات اعتماد chalcogenide. وأظهرت اثنين من مكونات اعتماد chalcogenide: قه 23 بينالي الشارقة 7 S 70 و 40 S 60، والتي على حد سواء تم دراستها على نطاق واسع في منتصف الأشعة تحت الحمراء (منتصف IR) الأجهزة microphotonic مستو. في هذا النهج، هي ملفقة الأفلام سمك موحدة من خلال استخدام العددية الكمبيوتر التي تسيطر عليها (CNC) الحركة. هو مكتوب الزجاج اعتماد chalcogenide (تغير) على الركيزة التي كتبها فوهة واحدة على طول مسار اعوج. وتعرض أفلام لسلسلة من العلاجات الحرارة بين 100 درجة مئوية و 200 درجة مئوية تحت فراغ لابعاد المذيبات المتبقية وdensify الأفلام. وبناء على فورييه انتقال تحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي وسطح القياسات خشونة، تم العثور على كل من التراكيب لتكون مناسبة لتصنيع أجهزة مستو العاملة في المنطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء. المذيبات المتبقيةتم العثور على إزالة لتكون أسرع بكثير لو40 S 60 فيلم بالمقارنة مع قه 23 بينالي الشارقة 7 S 70. واستنادا إلى مزايا electrospray، ومن المتوقع الطباعة مباشرة من معامل الانكسار (غرين) منتصف الأشعة تحت الحمراء طلاء شفاف التدرج، نظرا للاختلاف في معامل الانكسار من التراكيب اثنين في هذه الدراسة.

Introduction

نظارات اعتماد chalcogenide (ChGs) معروفة لنقل الأشعة تحت الحمراء واسعة وقابليته للسمك موحد، بطانية فيلم ترسب 1-3. على رقاقة الدليل الموجي، المرنانات، والمكونات البصرية الأخرى ويمكن بعد ذلك أن تتشكل من هذا الفيلم من تقنيات الطباعة، ومن ثم طلاء البوليمر لاحقا إلى افتعال الأجهزة microphotonic 4-5. تطبيق واحد الرئيسي الذي نسعى إلى تطوير وصغيرة وغير مكلفة وحساسة للغاية أجهزة الاستشعار الكيميائية التي تعمل في منتصف الأشعة تحت الحمراء، حيث لها العديد من الأنواع العضوية التوقيعات البصرية 6. أجهزة استشعار كيميائية Microphotonic يمكن نشرها في بيئات قاسية، مثل قرب المفاعلات النووية، حيث التعرض للإشعاع (غاما وألفا) هو المرجح. ومن ثم دراسة موسعة لتعديل الخصائص البصرية للمواد electrospray تغير أمر بالغ الأهمية، وسوف يبلغ في ورقة أخرى. في هذه المقالة، هو معروض ترسب الفيلم electrospray من ChGs، كما أنه هو وسيلة إلا في الآونة الأخيرةتطبق على ChGs 7.

ويمكن تصنيف الطرق فيلم ترسب القائمة إلى فئتين: تقنيات ترسيب البخار، مثل التبخير الحراري للأهداف الأكبر تغير، والتقنيات المستمدة من الحل، مثل تدور طلاء حل تغير المذاب في مذيب أمين. عموما، والأفلام المستمدة حل تميل أن يتسبب في خسائر العليا للإشارة الضوء بسبب وجود المذيبات المتبقية في مصفوفة الفيلم ولكن ميزة فريدة من التقنيات المستمدة حل على ترسيب البخار هو دمج بسيط من الجسيمات النانوية (على سبيل المثال، النقاط الكمومية أو نقاط الكمية) السابقة تدور طلاء 8-10. ومع ذلك، فقد لوحظ تجميع الجسيمات النانوية في الأفلام المغلفة تدور 10. وبالإضافة إلى ذلك، في حين أن النهج ترسب وتدور طلاء بخار مناسبة تماما لتشكيل سمك موحد، والأفلام بطانية، فإنها لا تصلح جيدا لترسبات محلية، أو هندسيا الأفلام سمك غير موحدة. Furthermore، على نطاق والمتابعة تدور طلاء صعب بسبب النفايات مواد عالية بسبب الاعادة من الركيزة، ولأنها ليست عملية مستمرة 11.

من أجل التغلب على بعض القيود المفروضة على تقنيات فيلم ترسب الحالية تغير، قمنا بدراسة تطبيق electrospray إلى نظام المواد التغيير في هذه العملية، رش الهباء الجوي يمكن أن تتكون من الحل تغير من خلال تطبيق حقل كهربائي عالي الجهد (7). لأنها عملية مستمرة والذي يتوافق مع تجهيز لفة إلى لفة، القريب استخدام 100٪ من المواد غير ممكن، وهو ميزة على تدور طلاء. وبالإضافة إلى ذلك، اقترحنا أن عزل نقاط الكمية واحدة في قطرات تغير الهباء الجوي الفردية يمكن أن يؤدي إلى تحسين QD التشتت، ويرجع ذلك إلى قطرات اتهم يجري مكانيا تفريق الذاتي من قبل التنافر Coulombic، جنبا إلى جنب مع حركية تجفيف أسرع من قطرات مساحة سطح عالية التي تقلل من حركة نقاط الكمية نظرا لزيادة اللزوجة من قطرات بينما في رحلة 7 و 12. وأخيرا، ترسب في المكان هو ميزة التي يمكن استخدامها لصنع الطلاء غرين. الاستكشافات في كل من التأسيس QD وغرين تصنيع تغير مع electrospray جارية لتقديمها كمادة المستقبلية حاليا.

في هذا المنشور، وأظهرت مرونة electrospray من قبل كل من ترسبات المترجمة والأفلام سماكة موحدة. للتحقيق في مدى ملاءمة الأفلام للتطبيقات الضوئية مستو، نقل تحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي، نوعية السطح، والسمك، وتستخدم قياسات معامل الانكسار.

Protocol

تنبيه: يرجى استشارة أوراق بيانات سلامة المواد (MSDS) عند العمل مع هذه المواد الكيميائية، ويكون على بينة من المخاطر الأخرى مثل الجهد العالي، والحركة الميكانيكية للنظام الترسيب، وارتفاع درجات الحرارة من موقد والأفران المستخدمة. ملا…

Representative Results

ويرد التمثيل التخطيطي للمسار اعوج تستخدم للحصول على أفلام سمك موحدة مع electrospray فوهة واحدة في الشكل 2 الشكل 3 يبين طيفا سبيل المثال نقل FTIR من علاجه جزئيا و40 S 60 فيلما مع حركة اعوج من الرذاذ، كما كذلك الطيف من المذيبات ايثان…

Discussion

في بداية فيلم سمك موحد المودعة لدى حركة اعوج من رذاذ المتعلقة الركيزة، والوضع سماكة الفيلم آخذ في الازدياد. وبمجرد أن المسافة المقطوعة في ص الاتجاه يتجاوز قطرها من الرذاذ (عند وصولهم إلى الركيزة)، فإن معدل تدفق يصبح معادلا تقريبا على كل نقطة على الركيزة، وتحقيق التوح…

Disclosures

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Chiles, J., et al. Low-loss, submicron chalcogenide integrated photonics with chlorine plasma etching. Appl. Phys. Lett. 106, 11110 (2015).
  5. Hu, J., et al. Demonstration of chalcogenide glass racetrack microresonators. Opt. Lett. 38 (8), 761-763 (2008).
  6. Singh, V., et al. Mid-infrared materials and devices on a Si platform for optical sensing. Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 014603 (2014).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Lu, C., Almeida, J. M. P., Yao, N., Arnold, C. Fabrication of uniformly dispersed nanoparticle-doped chalcogenide glass. Appl. Phys. Lett. 105, 261906 (2014).
  11. 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).
  12. Novak, S. . Electrospray deposition of chalcogenide glass films for gradient refractive index and quantum dot incorporation [dissertation]. , (2015).
  13. Tolansky, S. New contributions to interferometry, with applications to crystal studies. J. Sci. Instrum. 22 (9), 161-167 (1945).
  14. 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).
  15. Hu, J., et al. Optical loss reduction in high-index-contrast chalcogenide glass waveguides via thermal reflow. Opt. Exp. 18 (2), 1469-1478 (2010).
  16. Hu, J., et al. Exploration of waveguide fabrications from thermally evaporated Ge-Sb-S glass films. Opt. Mater. 30, 1560-1566 (2008).
  17. 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).
  18. 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).

Play Video

Cite This Article
Novak, S., Lin, P., Li, C., Borodinov, N., Han, Z., Monmeyran, C., Patel, N., Du, Q., Malinowski, M., Fathpour, S., Lumdee, C., Xu, C., Kik, P. G., Deng, W., Hu, J., Agarwal, A., Luzinov, I., Richardson, K. Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films. J. Vis. Exp. (114), e54379, doi:10.3791/54379 (2016).

View Video