СЭМ-изображения алмаза, выращенного на подложке, в поперечном ракурсе.
Алмаз является одним из самых ценных материалов в области передовых технологий благодаря своей непревзойденной твердости, способности проводить тепло и способности содержать дефекты, благоприятные для квантовых приложений. Однако те же качества, которые делают алмаз полезным, также затрудняют его обработку.
Инженеры и исследователи, работающие с алмазом для создания квантовых датчиков, силовой электроники или технологий терморегулирования, нуждаются в нем в ультратонких и сверхгладких слоях. Но традиционные методы, такие как лазерная резка и полировка, часто повреждают материал или создают дефекты поверхности.
Ионная имплантация - это способ отделения тонкого слоя алмаза от более крупного кристалла путем бомбардировки алмазной подложки высокоэнергетическими ионами углерода, которые проникают на определенную глубину под поверхность. В результате этого процесса на алмазной подложке образуется скрытый слой, в котором нарушена кристаллическая решетка. Этот поврежденный слой эффективно действует как шов: благодаря высокотемпературному отжигу он превращается в гладкий графит, что позволяет алмазному слою, расположенному над ним, образовывать единую ультратонкую пластину.
Команда исследователей из Университета Райса разработала более простой и эффективный способ достижения эффекта отрыва: вместо высокотемпературного отжига они обнаружили, что после ионной имплантации достаточно нарастить дополнительный алмазный слой поверх подложки, чтобы поврежденный слой стал похожим на графит.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Functional Materials, усовершенствованная техника позволяет обойти высокотемпературный отжиг и генерирует более чистые алмазные пленки, чем оригинальные подложки. Более того, подложка при этом подвергается минимальному повреждению и может быть повторно использована, что делает весь процесс ресурсосберегающим и масштабируемым.
(a) Модель алмазного блока для МД-моделирования с ограниченными вакансиями. (b) Функция парного распределения g(r) для чистого алмаза и с вакансиями. (c)-(e) МД-снимки для разных плотностей.
"Мы обнаружили, что чрезмерный рост алмазов превращает скрытый слой повреждений в тонкий графитовый слой, устраняя необходимость в энергоемком отжиге", ‑ сказал Сян Чжан, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии в Rice и автор-корреспондент исследования. "Полученная алмазная пленка более чистая и качественная, чем исходный алмаз, и соответствует качеству электронного материала".
По словам Чжана, эти сверхчистые алмазные пленки "могут произвести революцию в электронике, создав более быстрые и эффективные устройства, или послужить основой для квантовых компьютеров, которые решают задачи, выходящие за рамки сегодняшних возможностей".
Для создания нового слоя алмаза на подложке исследователи использовали метод плазменного химического осаждения с микроволновым возбуждением, который позволяет наносить новый алмазный материал на поверхность в идеальном соответствии с подлежащим кристаллом. Ученые выдвинули гипотезу, что условия самого процесса роста достаточно для того, чтобы инициировать преобразование скрытого поврежденного слоя в графит, без необходимости в дополнительном нагреве.
Чтобы подтвердить эту теорию, команда исследовала, как изменялись границы раздела между алмазной подложкой, слоем скрытых повреждений и наросшей пленкой во время роста алмаза, используя комбинацию просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии потери энергии электронов, спектроскопии комбинационного рассеяния света и фотолюминесцентного картирования.
«Коррелируя атомное изображение с спектроскопическими сигналами, мы демонстрируем, что наращивание алмаза достаточно для формирования чистого графитового слоя, сохранения гладкости подложки и получения алмазных пленок электронной grade, что имеет решающее значение для квантовых технологий», — добавил Чжан.
Упрощая производство и повышая устойчивость, новый метод может способствовать разработке трансформирующих технологий на основе алмаза.
