Diamant is een veelbelovend materiaal voor de halfgeleiderindustrie, maar het snijden ervan in dunne wafels is een echte hoofdpijn en uitdaging.
In een recente studie heeft een team van onderzoekers vanChiba-universiteitontwikkelde eennieuwe op laser gebaseerde techniekdie diamanten langs het optimale kristalvlak kan slijpen. Deze ontdekking zal helpen om dit materiaal kosteneffectiever te maken voor efficiënte energieconversie in elektrische voertuigen en snelle communicatietechnologieën.
Hoewel de eigenschappen van diamant aantrekkelijk zijn voor de halfgeleiderindustrie, werd voorheen de toepassing van diamantmaterialen beperkt door het gebrek aan technologie die momenteel op de markt is om diamanten efficiënt in dunne plakjes te snijden. Bij gebrek aan efficiënt snijden, moeten wafels één voor één worden gesynthetiseerd, waardoor hun productiekosten in de meeste industrieën onbetaalbaar worden.
Een Japanse onderzoeksgroep onder leiding van professor Hirofumi Hidai van de Graduate School of Engineering van Chiba University heeft onlangs een oplossing voor dit probleem gevonden.
In een studie die onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Diamonds and Related Materials, rapporteren ze een nieuwe op laser gebaseerde snijtechniek die kan worden gebruikt om diamanten netjes langs het optimale kristaloppervlak te snijden om gladde wafels te produceren.
De eigenschappen van de meeste kristallen, inclusief diamanten, variëren langs verschillende kristalvlakken (oppervlakken die hypothetisch de atomen bevatten waaruit het kristal bestaat). Een diamant kan bijvoorbeeld gemakkelijk langs het oppervlak van ｛111｝ worden geslepen. Het snijden van ｛100｝ is echter een uitdaging omdat het ook scheuren veroorzaakt langs het gedesintegreerde oppervlak ｛111｝, wat het kerfverlies vergroot.
Om de verspreiding van deze ongewenste scheuren te voorkomen, ontwikkelden de onderzoekers een diamantbewerkingstechniek die korte laserpulsen richt op een smal, taps toelopend volume in het materiaal.
Prof. Hidai legt uit: "Gerichte laserbestraling zet diamant om in amorfe koolstof, die een lagere dichtheid heeft dan diamant. Als gevolg hiervan neemt de dichtheid van het gebied dat door de laserpulsen is veranderd af en kunnen er scheuren ontstaan."
Door deze te bestralenlaser pulsenop een monster van transparante diamant in een vierkant rasterpatroon, creëerden de onderzoekers een raster in het materiaal dat bestond uit kleine gebieden die vatbaar zijn voor scheuren. Als de afstand tussen de gewijzigde gebieden in het raster en het aantal laserpulsen dat in elk gebied wordt gebruikt optimaal is, zijn alle gewijzigde gebieden met elkaar verbonden door kleine scheurtjes die zich bij voorkeur voortplanten langs het ｛100｝-vlak. Zo kan een gladde wafel met een oppervlak van ｛100｝ gemakkelijk worden gescheiden van de rest van het blok door simpelweg een scherpe wolfraamnaald naar één kant van het monster te duwen.
Al met al is de bovenstaande techniek een cruciale stap om van diamanten een geschikt halfgeleidermateriaal te maken voor toekomstige technologieën. In dit verband zegt prof. Hidai: "Het vermogen van diamantschijfjes om tegen lage kosten hoogwaardige wafels te produceren, is cruciaal voor de fabricage van diamanten halfgeleiderapparaten. Dit onderzoek brengt ons dus een stap dichter bij het realiseren van de verschillende toepassingen van diamant halfgeleiders in de samenleving, zoals het verbeteren van de stroomomzettingsgraad van elektrische auto's en treinen."
