Группа исследователей из Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, штат Индиана) разработала метод формирования искусственных алмазов микроскопического размера в строго определённых местах на подложке из графита. Технология открывает новые перспективы в создании высокопрочных материалов и электронике, включая создание принципиально новых носителей данных, микросхем и биосенсоров.
Сам способ формирования таких чипов отличается высочайшей точностью – алмазами можно буквально писать по графиту, создавая прочные схемы с разрешающей способностью в доли микрометров. Весь процесс протекает при комнатной температуре и нормальном давлении. Необходимые для образования искусственных алмазов условия создаются лучом лазера в объёме десятков и сотен кубических нанометров.
Под действием наносекундных импульсов лазера с плотностью потока энергии от 3,7 ГВт/см2 происходит лазерная абляция графита. Отдельные частицы углерода получают дополнительную энергию, лишаются электронов, приобретают одноимённый заряд и покидают подложку. Над ней в очень малом объёме образуется углеродная плазма, в которой преобладают силы отталкивания. Микроскопический плазменный шар слабо экранируется магнитным полем соседних атомов и стремится расшириться. В описываемой методике этому препятствует стеклянная подложка. Она пропускает лазерный луч, но при этом удерживает на месте плазменные шарики, не давая им быстро исчезнуть. Выигрыш во времени составляет доли секунды, но в таких микроскопических объёмах его хватает для того, чтобы успеть начать следующий этап.
Отдавая энергию, низкотемпературная плазма быстро остывает, и углеродные атомы начинают формировать объёмную структуру. В точке воздействия лазерного луча на неё действует световое давление и остаточное давление лазерной плазмы, достигающее в сумме 4,4 ГПа или более. Его было бы недостаточно для прямого преобразования графита в алмаз, но хватает для формирования из остывающей углеродной плазмы идеальной кристаллической структуры.
Образующиеся вкрапления искусственных алмазов меняют не только электрические, но и оптические свойства графитовой подложки. По мере роста числа алмазов вся структура становится всё более прозрачной. Именно эти изменения и наблюдали исследователи в первой серии экспериментов. Изначально группа ставила перед собой задачу разработать методы армирования различных металлов и других веществ. Опыт с лазерным облучением графита был одним из многих. Он остался бы без внимания, если бы не наблюдательность нескольких членов команды.
«Мы заметили, что чёрное графитовое покрытие исчезает, но куда?», – вспоминает адъюнкт-профессор кафедры промышленных разработок Гэри Ченг (Gary Cheng). Просвечивающая электронная микроскопия показала, что графит не просто испарился. В некоторых местах на покрытии образовались прозрачные кристаллы. Образование искусственных алмазов было также подтверждено методами рентгеновской дифракции и путём измерения их электрического сопротивления.
Наблюдение позволило лучше понять физику процесса и быстро доработать методику, подбирая оптимальные значения мощности и длительности импульсов лазера. «Фактически, мы создали технологию прецизионного формирования искусственных алмазов на графитовой поверхности, – комментирует Ченг. – Мы сделали это при комнатной температуре и обошлись без камер высокого давления, что существенно удешевляет метод».
Технология получила рабочее название CPLD (confined pulse laser deposition, – ограниченное осаждение лазерными импульсами). За счёт локального изменения электрических и оптических свойств на узлах из алмазов, с их помощью можно создавать заготовки микросхем или оптоэлектронных устройств.
Поскольку вкрапления алмазов упрочняют материалы, такие чипы будут обладать повышенной устойчивостью к физическим воздействиям. Например, из них можно изготавливать высокотемпературные сенсоры, компоненты электроники для промышленного и военного назначения. В настоящее время группа ожидает рассмотрения патентной заявки и работает над способами коммерческого применения методики.