Optoelectron. Semicond. Tech. 53, 124-139 (2018)

L.O. Revutska, Z.L. Denisova, A.V. Stronski


This paper reviews the works aimed at fabrication of chalcogenide films spin-coated (SC) from solution, their structural, optical, thermal and other properties, as well as creation of structures based on them. Technology of manufacturing the spin-coated films is similar to application of organic polymers and does not require complex equipment and high temperatures. This process takes place in three stages: preparation of the solution by dissolving the powder of a massive glass, drawing from a solution and heat treatment. Physical properties of SC films are essentially different from those of films obtained using other methods (thermal evaporation or pulsed laser deposition). This article presents a comparison of X-ray diffraction data, Raman spectra of bulk chalcogenide glasses and films prepared by various methods. Structural studies with FTIR spectroscopy and high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) are also presented. The SC films of chalcogenide glasses were studied by various researchers that used differential scanning calorimetry (DSC). Absorption spectroscopy was used to study the optical properties of thin films. The spin-coated method is convenient for obtaining homogeneous photosensitive amorphous chalcogenide films of various compositions. This technique is characterized by the following photoinduced optical phenomena: photodepolarization, photoinduced anisotropy (in particular, photoinduced linear dichroism), photoinduced diffusion of metals (Ag-photodoption) and polarized photo-doping, which is accompanied by the appearance of optical anisotropy. All these properties of spin-coated chalcogenide films show their prospects for creation of elements and devices of photonics. Sub-micrometer waveguides, microcavity resonators, microscopic infrared lenses, and various hybrid inorganic-organic photonic devices can be manufactured by using the nano-printing method employing spin-coated chalcogenide films.

Keywords: chalcogenide films, spin-coated method, properties, application.


1. Chern G.C., Lauks I. Spin coated amorphous chalcogenide films. J. Appl. Phys. 1982. 53. P. 6979-6982.

2. Chern G.C., Lauks I., A.R. McGhie, Spin coated amorphous chalcogenide films: Thermal properties. J. Appl. Phys. 1983. 54. P. 4596-4601.

3. Chern G.C., Lauks I. Spin coated amorphous chalcogenide films­: Structural characterization. J. Appl. Phys. 1983. 54. P. 2701-2705.

4. Norian K.H., Chern G.C., Lauks I. Morphology and thermal properties of solvent-cast arsenic sulfide films. J. Appl. Phys. 1984. 55. P. 3795-3798.

5. Kase K., Chern G.C., Lauks I. Dry etching of gratings on spin-coated As2S3 films. Thin Solid Films. 1984. 116. P. 53-54.

6. Youden K.E., Grevatt T., Eason R.W., Rutt H.N., Deol R.S., Wylangowski G. Pulsed laser deposition of GaLaS chalcogenide glass thin film optical waveguides. Appl. Phys. Lett. 1993. 63. P. 1601-1603.

7. Balan V., Vigreux C., Pradel A. Chalcogenide thin films deposited by radio-frequency sputtering. J. Optoelectron. Adv. Mater. 2004. 6. P. 875-882.

8. Song S., Carlie N., Boudies J., Petit L., Richardson K., Arnold C.B. Spin-coating of Ge23Sb7S70 chalcogenide glass thin films. J. Non-Cryst. Solids. 2009. 355. P. 2272-2278.

9. Wilkinson J. Characterization and optimization of solution-derived chalcogenide glass thin films. Clemson University, 2012.

10. Hu J., Tarasov V., Carlie N., Feng N., Petit L., Agarwal A., Richardson K., Kimerling L., Carolina S. SiCMOS-compatible lift-off fabrication of low-loss planar chalcogenide waveguides. Opt. Exp. 2007. 15. P. 11798-11807.

11. Mikla V.I., Mikla V.V. Effect of thermal evaporation conditions on structural changes in amorphous AsxS1-x films. Optoelectron. Adv. Mater. 2007. 1. P. 272-276.

12. Krbal M.A., Wagner T., Kohoutek T., Nemec P., Orava J., Frumar M. The comparison of Ag-As33S67 films prepared by thermal evaporation (TE), spin-coating (SC) and a pulsed laser deposition (PLD). J. Phys. Chem. Solids. 2007. 68. P. 953-957.

13. Erazu M., Rocca J., Arcondo B., Pradel A., Fontana M., Ure A. Raman spectroscopy of chalcogenide thin films prepared by PLD. J. Alloys Compd. 2010. 495. P. 642-645.

14. Musgraves J.D., Carlie N., Hu J., Petit L., Agarwal A., Kimerling L.C. Comparison of the optical, thermal and structural properties of Ge-Sb-S thin films deposited using thermal evaporation and pulsed laser deposition techniques. Acta Materialia. 2011. 59. P. 5032-5039.

15. Nazabal V., Charpentier F., Adam J., Charrier J., More A. Sputtering and pulsed laser deposition for nearand mid-infrared applications: A comparative study of Ge25Sb10S65 and Ge25Sb10Se65 amorphous thin films. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2011. 8. P. 990-1000.

16. 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. 2010. 18. P. 5472-5480.

17. Michailov M.D., Mamedov S.B., Tsventarnyi S.V. Dissolution kinetics of glassy arsenic sulfide in alkali and amine solutions. J. Non-Cryst. Solids. 1994. 176. P. 258-262.

18. Mamedov S.B., Mikhailov M.D. Dissolution kinetics of glassy and crystalline As2S3 in aqueous sodium sulfide and hydroxide. J. Non-Cryst. Solids. 1997. 221. P. 181-186.

19. Orava J., Wagner T. Selective wet-etching of undoped and silver photodoped amorphous thin films of chalcogenide glasses in inorganic alkaline solutions. J. Non-Cryst. Solids. 2006. 352. P. 1637-1640.

20. Shtutina S., Klebanov M., Lyubin V., Rosenwaks S., Volterra V. Photoinduced phenomena in spin-coated vitreous As2S3 and AsSe films. Thin Solid Films. 1995. 261. P. 263-265.

21. Novak S. Nanoparticles in Solution-Derived Chalcogenide Glass Films. Clemson University, 2012.

22. Zha Y., Fingerman S., Cantrell S.J., Arnold C.B., Pore formation and removal in solution-processed amorphous arsenic sulfide films. J. Non-Cryst. Solids. 2013. 369. P. 11-16.

23. Zha Y., Waldmann M., Arnold C.B. A review on solution processing of chalcogenide glasses for optical components. Opt. Mater. Exp. 2013. 3. P. 1259-1272.

24. Tsay C., Mujagi E., Madsen C.K., Gmachl C.F., Arnold C.B., Mid-infrared characterization of solutionprocessed As2S3 chalcogenide glass waveguides. Opt. Exp. 2010. 18. P.15523-15530.

25. Zou Y., Moreel L., Lin H. et al. Solution processing and resist-free nanoimprint fabrication of thin film chalcogenide glass devices: Inorganic-organic hybrid photonic integration. Adv. Opt. Mater. 2014. P. 1-6.

26. Akimova E.A., Stronskij A.V., Payuk A.P., Meshalkin A. Zapis gologrammnyh difrakcionnyh reshetok s ispolzovaniem karbazolsoderzhashih tonkih polimernyh plenok. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2014. №49. C. 31-35. (in Russian)

27. Wagner T., Kohoutek T., Vlcek M., Munzar M., Frumar M. Spin-coated Agx(As0.33S0.67)100-x films: preparation and structure. J. Non-Cryst. Solids. 2003. 326-327. P. 165-169.

28. Cook J., Slang А., Golovchak R., Jain H., Vlcek M., Kovalskiy A. Structural features of spin-coated thin films of binary AsxS100−x chalcogenide glass system. Thin Solid Films. 2015. 589. P. 642-648.

29. Kohoutek T., Wagner T., Orava J., Frumar M., Perina V., Mackova A. Amorphous films of Ag-As-S system prepared by spin-coating technique, preparation techniques and films physico-chemical properties. Vacuum. 2004. 76. P. 191-194.

30. Kolomiets B.T., Lyubin V.M. Reversible photoinduced changes in the properties of chalcogenide vitreous semiconductors. Mat. Res. Bull. 1978. 13. P. 1343-1350.

31. Kolobov A.V., Elliott S.R. Photodoping of amorphous chalcogenides by metals. Adv. Phys. 1991. 40. P. 625-684.

32. Kohoutek T., Wagner T., Frumar M., Chrissanthopoulos A., Kostadinova O., Yannopoulos S.N. Effect of cluster size of chalcogenide glass nanocolloidal solutions on the surface morphology of spin-coated amorphous films. J. Appl. Phys. 2008. 103. P. 063511-1-6.

33. Legin A., Bychkov E. Thin-layer chemical sensors based on chemically deposited and modified chalcogenide glasses. Sensors Actuators, B Chem. 1993. 15-16. P. 184-187.

34. Singh B., Chern G.C., Lauks I. Application of spincoated As2S3 thin films in a high resolution trilayer resist system. Appl. Phys. Lett. 1984. 45. P. 74-76.

35. Gutwirth J. Physical properties and structure of amorphous Agx(Sb0.33S0.67)100-x prepared by opticallyinduced diffusion and dissolution of silver into spin-coated amorphous Sb33S67 films. J. Optoelectr. Adv. Mater. 2003. 5. P. 1139-1146.

36. Ta'eed V.G., Baker N.J., Fu L., Finsterbusch K., Lamont M.R.E., Moss D.J., Nguyen H.C., Eggleton B.J., Choi D.Y., Madden S. Ultrafast all-optical chalcogenide glass photonic circuits. Opt. Exp. 2007. 15. P. 5860-5865.

37. Feigel A., Veinger M., Sfez B., Arsh A., Klebanov M., Lyubin V. Three-dimensional simple cubic woodpile photonic crystals made from chalcogenide glasses. Appl. Phys. Lett. 2003. 83. P. 20-23.

38. Curry R.J. Chalcogenide glass thin films and planar waveguides. J. Am. Ceram. Soc. 2005. 2455. P. 2451-2455.

39. Zou Y., Lin H., Ogbuu O., Li L., Danto S., Novak S., Wilkinson J., Musgraves J.D., Richardson K., Hu J. Effect of annealing conditions on the physico-chemical properties of spin-coated As2Se3 chalcogenide glassfilms. Opt. Mater. Exp. 2012. 2. P. 1723-1732.

40. Tsay C., Zha Y., Arnold C.B. Solution-processed chalcogenide glass for integrated single-mode midinfrared waveguides. Opt. Exp. 2010. 18. P. 606-610.

41. Mairaj A.K., Curry R.J., Hewak D.W. Inverted deposition and high-velocity spinning to develop buried planar chalcogenide glass waveguides for highly nonlinear integrated optics. Appl. Phys. Lett. 2005. 86. P. 130-132.

42. Goglidze T., Dementiev I., Dmitriev S., Nasedkina N., Matskova N., The electrical transport mechanism in the (nCdS-pAs2Se3) heterojunctions. Mold. J. Phys. Sci. 2008. 7. P. 2-6.

43. Carlie N., Musgraves J.D., Zdyrko B., Luzinov I., Hu J., Singh V., Agarwal A., Kimerling L.C., Canciamilla A., Morichetti F., Melloni A., Richardson K., Integrated chalcogenide waveguide resonators for mid-IR sensing­: leveraging material properties to meet fabrication challenges. Opt. Exp. 2010. 18. P. 26728-26743.

44. Sanchez E.A., Waldmann M., Arnold C.B.. Chalcogenide glass microlenses by inkjet printing. Appl. Opt. 2011. 50. P. 1974-1978.

Л.О. Ревуцька, З.Л. Денисова1, О.В. Стронський1


У даній статті проведено огляд робіт, присвячений процесу виготовлення халькогенідних плівок методом центрифугування із розчину (spin-coated, SC), а також їх структурним, оптичним, тепловим та іншим властивостям, та створенню структур на їх основі. Технологія виготовлення SC-плівок схожа до нанесення органічних полімерів і не потребує складного обладнання і високих температур. Цей процес відбувається у три етапи: приготування розчину шляхом розчинення порошку масивного скла, нанесення з розчину і термічної обробки Фізичні властивості SC-плівок багато в чому відрізняються від властивостей плівок, отриманих іншими методами (термічного випаровування (thermal evaporation) або імпульсним лазерним осадженням (pulced laser deposition). У статті наведено порівняння кривих рентгенівської дифракції, спектрів комбінаційного розсіювання для об’ємних халькогенідних стекол та плівок, виготовлених різними методами. Також представлені структурні дослідження з використанням FTIR-спектроскопії та високороздільної рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS). Теплові пластивості SC-плівок халькогенідних стекол вивчались багатьма дослідниками за допомогою диференціальної скануючої калориметрії (DSC) Для вивчення оптичних властивостей тонких плівок була використана спектроскопія поглинання. Метод нанесення плівок із розчину є зручним для одержання однорідних світлочутливих аморфних халькогенідних плівок різних композицій. Для плівок, отриманих за даною методикою характерні наступні фотоіндуковані оптичні явища: фотопотемніння, фотоіндукована анізотропія (зокрема, фотоіндукований лінійний дихроїзм), фотоіндукована дифузія металів (Аgфотодопування) та поляризоване фотодопування, що супроводжується появою оптичної анізотропії. Всі перераховані властивості халькогенідних плівок, отриманих із розчину, показують їх перспективність для створення елементів і пристроїв фотоніки. За допомогою методу нанодруку та використання халькогенідних плівок, нанесених з розчину, можуть бути виготовлені суб-мікрометрові хвилеводи, мікрокільцеві резонатори, мікроскопічні ІЧ лінзи, різноманітні гібридні неорганічно-органічні фотонні пристрої.

Ключові слова: плівки халькогенідних стекол, метод центрифугування, властивості, застосування.