Japonia opracowuje nową technologię cięcia laserowego półprzewodników diamentowych

Diament jest obiecującym materiałem dla przemysłu półprzewodników, ale pocięcie go na cienkie płytki może być prawdziwym bólem głowy i wyzwaniem.
W niedawnym badaniu zespół naukowców z Uniwersytetu Chiba opracował nową technikę opartą na laserze, która umożliwia cięcie diamentu wzdłuż optymalnej płaszczyzny kryształu. To odkrycie pomoże uczynić ten materiał bardziej opłacalnym pod względem wydajnej konwersji energii w pojazdach elektrycznych i technologiach szybkiej komunikacji.
Wcześniej, chociaż właściwości diamentu były atrakcyjne dla przemysłu półprzewodników, zastosowanie materiałów diamentowych było ograniczone ze względu na brak obecnie dostępnej na rynku technologii umożliwiającej wydajne cięcie diamentu na cienkie plasterki. W przypadku braku wydajnego krojenia, płytki muszą być syntetyzowane jeden po drugim, co powoduje, że koszty ich produkcji są zaporowe w większości gałęzi przemysłu.
Japońska grupa badawcza kierowana przez profesora Hirofumi Hidai z Graduate School of Engineering na Uniwersytecie Chiba znalazła niedawno rozwiązanie tego problemu.
W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie Diamonds and powiązane materiały donoszą o nowej technice cięcia opartej na laserze, która może być stosowana do czystego cięcia diamentów wzdłuż optymalnej powierzchni kryształu w celu wytworzenia gładkich płytek.
Właściwości większości kryształów, w tym diamentu, różnią się w zależności od płaszczyzn kryształu (powierzchni, które hipotetycznie zawierają atomy tworzące kryształ). Na przykład diament można łatwo ciąć wzdłuż powierzchni ｛111｝. Jednakże krojenie ｛100｝ jest trudne, ponieważ powoduje również pęknięcia wzdłuż rozdrobnionej powierzchni ｛111｝, co zwiększa utratę karbu.
Aby zapobiec rozprzestrzenianiu się tych niepożądanych pęknięć, naukowcy opracowali technikę obróbki diamentu, która skupia krótkie impulsy laserowe na wąskiej, zwężającej się objętości w materiale.
Prof. Hidai wyjaśnia: „Skoncentrowane napromieniowanie laserowe przekształca diament w amorficzny węgiel, który ma mniejszą gęstość niż diament. W rezultacie gęstość obszaru zmienionego przez impulsy lasera maleje i mogą tworzyć się pęknięcia”.
Napromieniowując impulsy laserowe na próbkę przezroczystego diamentu w kształcie kwadratowej siatki, badacze stworzyli wewnątrz materiału siatkę składającą się z małych obszarów podatnych na pęknięcia. Jeżeli odstęp pomiędzy modyfikowanymi obszarami siatki oraz liczba impulsów laserowych zastosowanych w każdym obszarze jest optymalna, wszystkie zmodyfikowane obszary są połączone ze sobą małymi pęknięciami, które preferencyjnie propagują się wzdłuż płaszczyzny ｛100｝. W ten sposób gładką płytkę o powierzchni ｛100｝ można łatwo oddzielić od reszty bloku, po prostu naciskając ostrą wolframową igłę na jedną stronę próbki.
Ogólnie rzecz biorąc, powyższa technika jest kluczowym krokiem w uczynieniu diamentu odpowiednim materiałem półprzewodnikowym dla przyszłych technologii. W związku z tym prof. Hidai mówi: „Zdolność płatków diamentu do wytwarzania wysokiej jakości płytek przy niskich kosztach ma kluczowe znaczenie w produkcji diamentowych urządzeń półprzewodnikowych. Tym samym badania te przybliżają nas o krok bliżej do zrozumienia różnych zastosowań diamentu półprzewodników w społeczeństwie, na przykład poprawę współczynnika konwersji mocy w samochodach i pociągach elektrycznych”.