הפקדת electrospray של עובי אחיד Ge<sub> 23</sub> Sb<sub> 7</sub> S<sub> 70</sub> וכפי<sub> 40</sub> S<sub> 60</sub> סרטי זכוכית Chalcogenide
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
פתרון המבוסס על הסרט בתצהיר electrospray, אשר תואם עם עיבוד רציף, גליל ל-רול, מוחל משקפיים chalcogenide. שתי יצירות chalcogenide הם הפגינו: Ge 23 Sb 7 S 70 ו כיוון ש -40 S 60, אשר שניהם נחקרו בהרחבה בשל מישוריים אמצע אינפרא אדום (אמצע IR) מכשירים microphotonic. לפי גישה זו, סרטי עובי אחידים מיוצרים תוך שימוש מבוקר מחשב נומרית תנועה (CNC). זכוכית Chalcogenide (CHG) כתובה על המצע על ידי נחיר יחיד לאורך שביל מתפתל. סרטים נחשפו שורה של טיפולים חומים בין 100 ° C ו -200 ° C תחת ואקום ולסלק ממס שיורי densify הסרטים. בהתבסס על פורה שידור להפוך ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (FTIR) ולהציף מדידות חספוס, נמצאו שני היצירות להיות מתאים הייצור של מכשירים מישוריים הפועלים באיזור אמצע IR. ממס שיוריהסרת נמצאה להיות הרבה יותר מהר לסרט כמו 40 S 60 לעומת גה 23 Sb 7 S 70. בהתבסס על היתרונות של electrospray, הדפסה ישירה של מקדם שבירת שיפוע (וחיוך) אמצע IR ציפוי שקוף היא חזה, בהתחשב ההבדל מקדם שבירה של שתי היצירות במחקר זה.
Introduction
משקפי Chalcogenide (ChGs) ידועים לשידור amenability אינפרא האדומים הרחבים שלהם כדי עובי אחיד, בתצהיר סרט שמיכת 1-3. על שבב בגלבו, תהודה, ורכיבים אופטיים אחרים אז יכול להיווצר מהסרט הזה על ידי טכניקות ליתוגרפיה, ולאחר מכן ציפוי פולימרי לאחר לפברק התקנים microphotonic 4-5. יישום מפתח אחת כי אנו שואפים לפתח הוא קטן, זול, מכשירי חישה כימית רגישים מאוד לפעול באמצע-IR, שבו מינים אורגניים רבים יש חתימות אופטיות 6. חיישנים כימיים Microphotonic ניתן לפרוס בסביבות קשות, כגון ליד כורים גרעיניים, בהם החשיפה לקרינה (גמא אלפא) הוא סביר. לפיכך מחקר מקיף של השינוי של תכונות אופטיות של חומרי electrospray CHG הוא קריטי ידווח במאמר אחר. במאמר זה, בתצהיר סרט electrospray של ChGs מוצג, כפי שהוא הוא שיטה רק לאחרונהלהחיל ChGs 7.
השיטות בתצהיר סרט הקיימות ניתן לסווג לשתי קבוצות: טכניקות שיקוע, כגון אידוי תרמי של מטרות CHG בתפזורת, וטכניקות הנגזרות פתרון, כגון על ידי ספין ציפוי פתרון של CHG מומס ממס אמין. באופן כללי, סרטים הנגזרות פתרון נוטים לגרום לאובדן גבוה של אות האור בשל נוכחותם של ממס שיורי במטריצת הסרט 3, אבל יתרון ייחודי של טכניקות נגזרות פתרון על שיקוע הוא שילוב הפשוט של חלקיקים (למשל, נקודות או QDs קוונטים) לפני ספין ציפוי 8-10. עם זאת, הצטברות של חלקיקים נצפתה בסרטי ספין מצופה 10. בנוסף, בעוד גישות שיקוע ספין-ציפוי מתאימות היטב להיווצרות של עובי אחיד, סרטי שמיכה, הם לא להשאיל את עצמם היטב תצהירים מקומיים, או סרטי עובי לא אחידים מהונדסים. Furthermore, מדרוג כלפי מעלה של ציפוי ספין קשה בגלל הפסולת חומרית גבוהה בשל ניגר מן המצע, ובגלל זה הוא לא תהליך מתמשך 11.
על מנת להתגבר על חלק מהמגבלות של טכניקות בתצהיר סרט הנוכחיות CHG, חקרנו את היישום של electrospray למערכת חומרי CHG. בתהליך זה, תרסיס אירוסול יכול להיווצר מהפתרון CHG על ידי הפעלת שדה חשמלי מתח גבוה 7. בגלל זה הוא תהליך מתמשך אשר תואם עם עיבוד רול ל-רול, שימוש 100% ליד של חומר אפשרי, דבר המהווה יתרון על-ציפוי ספין. בנוסף, שהצענו כי בידוד של QDs היחיד טיפות תרסיס CHG הפרט עלול להוביל לפיזור QD טוב יותר, בשל הטיפין הטעונות להיות מרחבית-פיזור עצמי על ידי דחיית Coulombic, בשילוב עם קינטיקה הייבוש המהירה של טיפות שטח פנים הגבוהים כי למזער את התנועה של QDs בשלהגדלת צמיגות של טיפות ואילו הטיסה 7, 12. לבסוף, בתצהיר מקומי יתרון שיכול להיות מנוצל כדי לפברק ציפוי והחיוך. חקור הוא התאגדות QD ייצור וחיוך של CHG עם electrospray נערך כיום שיוגש כמו במאמר עתידי.
בפרסום זה, את הגמישות של electrospray מודגמת על ידי שני תצהירים מקומיים וסרטי עובי אחידים. כדי לחקור את התאמתו של הסרטים עבור יישומים פוטוניים מישוריים, פורה שידור להפוך ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (FTIR), משטח באיכות, עובי, ומדידות מקדמות שבירה מנוצלות.
Protocol
Representative Results
Discussion
בתחילת סרט עובי אחיד שהופקד עם תנועה מתפתלת של יחסי ספריי למצע, פרופיל עובי סרט גדל. לאחר המרחק ב y-הכיוון עולה על הקוטר של ספריי (עם הגיעם המצע), שיעור הזרימה הופך שווה-ערך עבור כל נקודה על פני המצע, ואחידות עובי מושגת. כדי לקבוע את הפרמטרים בתצהיר המתאימים של סרט עובי א?…
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
- 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).
