Η Ιαπωνία αναπτύσσει νέα τεχνολογία κοπής λέιζερ για ημιαγωγούς διαμαντιών

Το διαμάντι είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για τη βιομηχανία ημιαγωγών, αλλά ο τεμαχισμός του σε λεπτές γκοφρέτες μπορεί να είναι πραγματικός πονοκέφαλος και πρόκληση.
Σε μια πρόσφατη μελέτη, μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Chiba ανέπτυξε μια νέα τεχνική βασισμένη σε λέιζερ που μπορεί να κόψει διαμάντι κατά μήκος του βέλτιστου κρυσταλλικού επιπέδου. Αυτή η ανακάλυψη θα βοηθήσει να γίνει αυτό το υλικό πιο οικονομικά αποδοτικό για αποτελεσματική μετατροπή ισχύος σε ηλεκτρικά οχήματα και τεχνολογίες επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας.
Προηγουμένως, αν και οι ιδιότητες του διαμαντιού είναι ελκυστικές για τη βιομηχανία ημιαγωγών, η εφαρμογή των υλικών διαμαντιών είχε περιοριστεί λόγω της έλλειψης τεχνολογίας που κυκλοφορεί σήμερα στην αγορά για την αποτελεσματική κοπή του διαμαντιού σε λεπτές φέτες. Ελλείψει αποτελεσματικού τεμαχισμού, οι γκοφρέτες πρέπει να συντίθενται μία προς μία, καθιστώντας το κόστος κατασκευής τους απαγορευτικό στις περισσότερες βιομηχανίες.
Μια ιαπωνική ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Hirofumi Hidai της Μεταπτυχιακής Σχολής Μηχανικών του Πανεπιστημίου Chiba βρήκε πρόσφατα μια λύση σε αυτό το πρόβλημα.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Diamonds and Related Materials, αναφέρουν μια νέα τεχνική κοπής με βάση το λέιζερ που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καθαρή κοπή διαμαντιών κατά μήκος της βέλτιστης κρυσταλλικής επιφάνειας για την παραγωγή λείων γκοφρετών.
Οι ιδιότητες των περισσότερων κρυστάλλων, συμπεριλαμβανομένου του διαμαντιού, ποικίλλουν κατά μήκος διαφορετικών κρυσταλλικών επιπέδων (επιφάνειες που περιέχουν υποθετικά τα άτομα που αποτελούν τον κρύσταλλο). Για παράδειγμα, το διαμάντι μπορεί εύκολα να κοπεί κατά μήκος της επιφάνειας του ｛111｝. Ωστόσο, ο τεμαχισμός ｛100｝ είναι δύσκολος, επειδή προκαλεί επίσης ρωγμές κατά μήκος της αποσαθρωμένης επιφάνειας ｛111｝, γεγονός που αυξάνει την απώλεια εγκοπής.
Για να αποτρέψουν τη διάδοση αυτών των ανεπιθύμητων ρωγμών, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια τεχνική επεξεργασίας διαμαντιών που εστιάζει βραχείς παλμούς λέιζερ σε έναν στενό, κωνικό όγκο μέσα στο υλικό.
Ο καθηγητής Hidai εξηγεί, "Η εστιασμένη ακτινοβολία λέιζερ μετατρέπει το διαμάντι σε άμορφο άνθρακα, ο οποίος έχει μικρότερη πυκνότητα από το διαμάντι. Ως αποτέλεσμα, η πυκνότητα της περιοχής που μεταβάλλεται από τους παλμούς λέιζερ μειώνεται και μπορεί να σχηματιστούν ρωγμές."
Με την ακτινοβολία αυτών των παλμών λέιζερ σε ένα δείγμα διαφανούς διαμαντιού σε τετράγωνο σχέδιο πλέγματος, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα πλέγμα μέσα στο υλικό που αποτελούνταν από μικρές περιοχές επιρρεπείς σε ρωγμές. Εάν η απόσταση μεταξύ των τροποποιημένων περιοχών στο πλέγμα και του αριθμού των παλμών λέιζερ που χρησιμοποιούνται σε κάθε περιοχή είναι βέλτιστη, όλες οι τροποποιημένες περιοχές συνδέονται μεταξύ τους με μικρές ρωγμές που διαδίδονται κατά προτίμηση κατά μήκος του επιπέδου ｛100｝. Έτσι, μια λεία γκοφρέτα με επιφάνεια ｛100｝ μπορεί εύκολα να διαχωριστεί από το υπόλοιπο κομμάτι πιέζοντας απλώς μια αιχμηρή βελόνα βολφραμίου στη μία πλευρά του δείγματος.
Συνολικά, η παραπάνω τεχνική είναι ένα βασικό βήμα για να γίνει το διαμάντι κατάλληλο ημιαγωγικό υλικό για μελλοντικές τεχνολογίες. Από την άποψη αυτή, ο καθηγητής Hidai λέει: "Η ικανότητα των φετών διαμαντιών να παράγουν υψηλής ποιότητας γκοφρέτες με χαμηλό κόστος είναι ζωτικής σημασίας για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών διαμαντιών. Έτσι, αυτή η έρευνα μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην υλοποίηση των διαφόρων εφαρμογών του διαμαντιού ημιαγωγών στην κοινωνία, όπως η βελτίωση του ποσοστού μετατροπής ισχύος των ηλεκτρικών αυτοκινήτων και τρένων».