Pulsurile laser ultracurte permit tăierea diamantului sintetic de-a lungul planului cristalin util
Diamantul nu este doar o piatră prețioasă pentru bijuterii. Proprietățile sale îl fac atractiv pentru mai multe tehnologii de înaltă performanță din generația următoare: conductivitatea termică ridicată poate ajuta la disiparea căldurii din dispozitivele semiconductoare, banda interzisă largă este promițătoare pentru electronica de putere, iar transparența în domeniul luminii vizibile îl face util pentru aplicații optice solicitante.
Problema este că duritatea extremă a diamantului îngreunează transformarea lui în substraturi subțiri și precis modelate, de care aceste tehnologii au nevoie. În ultimii ani, tăierea cu laser a apărut ca o alternativă la prelucrarea mecanică convențională: laserele focalizate pot produce modificări structurale microscopice direct în interiorul cristalului, generând tensiuni interne care favorizează și ghidează propagarea fisurilor. Rămâne însă neclar cum răspund la acest tratament diamantele obținute prin metode diferite.
Comparație între diamantele HPHT și CVD
Un studiu publicat în revista Diamond and Related Materials a analizat tocmai aceste diferențe. Echipa condusă de profesorul Hirofumi Hidai de la Graduate School of Engineering, Chiba University, a comparat trei diamante monocristaline: unul obținut prin metoda high-pressure high-temperature (HPHT) și două prin depunere chimică în fază de vapori (CVD), fiecare cu un nivel diferit de impurități de azot. Probele au fost iradiate cu puluri laser focalizate, cu durate între 233 fs și 30 ps, iar regiunile modificate din interior au fost examinate prin microscopie optică, spectroscopie și analiză de imagine.
Rezultatele au arătat că diamantele CVD au putut fi modificate cu puluri mult mai scurte decât cel HPHT. În diamantele CVD, cele mai scurte puluri au produs urme minuscule și separate, în timp ce pulurile de circa 10 ps sau mai lungi au creat regiuni modificate mai continue. Conținutul de azot nu a explicat singur diferențele dintre probe, ceea ce sugerează că defectele microscopice legate de istoricul de creștere al fiecărui cristal joacă un rol important. Diamantele CVD au prezentat, de asemenea, regiuni modificate mai puțin stabile și o variabilitate morfologică mai mare.
Tăierea unui diamant de 8 mm × 8 mm
Pornind de la aceste observații, cercetătorii au aplicat puluri de 10 ps pe un diamant CVD de 8 mm × 8 mm, creând regiuni modificate într-o rețea controlată. În loc să genereze dintr-o dată o rețea completă de fisuri, au adăugat progresiv noi regiuni modificate la jumătatea distanței dintre cele existente. După patru astfel de etape, diamantul s-a despărțit curat de-a lungul planului {100} la o atingere ușoară cu o pensetă. Acest plan este cel mai ușor de șlefuit, ceea ce îl face deosebit de important în aplicațiile practice.
Suprafața feliei de 8 mm × 8 mm a fost de aproximativ 710 ori mai mare decât cea a diamantului HPHT de 300 µm pătrați obținut de aceeași echipă într-un studiu anterior. Această creștere a ariei de tăiere reprezintă un pas important spre substraturile mai mari de diamant necesare componentelor optice și electronicii.
Aplicații industriale și beneficii de sustenabilitate
Hidai vede mai multe direcții de aplicare: producția de substraturi și componente din diamant pentru ferestre optice ale laserelor de mare putere folosite în sistemele de litografie, disipatoare termice pentru dispozitive electronice avansate precum cipurile pentru inteligență artificială și semiconductori de putere pe bază de diamant din generația următoare. Deoarece etapele procesului de tăiere sunt potențial scalabile, cercetătorii își imaginează metoda adaptată pentru diverse medii industriale.
„Tehnologia propusă ar putea fi integrată în viitoarele procese de producție în masă pentru substraturi de diamant, contribuind la reducerea costurilor de fabricație și la îmbunătățirea utilizării materialului. La rândul său, acest lucru ar putea accelera adoptarea pe scară mai largă a tehnologiilor de vârf care exploatează proprietățile termice, optice și electronice excepționale ale diamantului”, spune Hidai.
Adoptarea diamantului ca material major al tehnologiilor viitorului ar putea aduce și beneficii considerabile de sustenabilitate. Semiconductoarele de putere pe bază de diamant ar putea reduce pierderile de energie în aplicații precum centrele de date, infrastructura energetică și vehiculele electrice, deschizând calea către o eficiență energetică mai ridicată în domenii aflate în expansiune rapidă.
