211service.com
Diamantpatroontechniek kan fotonica transformeren
Een van de ondersteunende technologieën van onze tijd is fotolithografie, het proces dat patronen creëert op het oppervlak van materialen zoals silicium, siliciumdioxide en andere componenten van micro-elektronische apparaten.
Het is moeilijk om het belang van deze techniek te overschatten. Bijna alle microchips worden ermee gemaakt, zodat de vruchten van deze uitvinding onze wereld doordringen.
Nu zijn computerwetenschappers verder gaan kijken dan silicium voor de volgende generatie chips en degenen die verder gaan. En een van de meest opwindende materialen die ze onderzoeken, is diamant.
Maar er is een probleem. Het maken van apparaten uit diamant is een moeilijke zaak vanwege de chemische robuustheid. Fotolithografie werkt gewoon niet.
In plaats daarvan kunnen natuurkundigen het oppervlak van diamant alleen snijden met behulp van hoogenergetische processen zoals krachtige laserablatie en ionenbombardement. En deze vernietigen vaak het oppervlak en alles erop.
Wat ze in plaats daarvan nodig hebben, is een proces dat net zo gemakkelijk patronen op het oppervlak van diamant produceert als fotolithografie doet met silicium.
Vandaag zeggen Aiden Martin en vrienden van de University of Technology in Sydney, Australië, dat ze een dergelijke techniek hebben ontwikkeld. Ze hebben een manier gevonden om structuren van diamant te maken met behulp van een energiezuinige techniek die het oppervlak niet beschadigt of structuren in de buurt vernietigt.
De nieuwe techniek is relatief eenvoudig. Het is gebaseerd op het feit dat watermoleculen de neiging hebben zich aan het oppervlak van diamant te hechten. Martin en co breken vervolgens de watermoleculen af met elektronen met lage energie, waardoor waterstof- en zuurstofradicalen ontstaan. De zuurstofradicalen zijn zo reactief dat ze koolstofmoleculen uit het diamantkristal scheuren en koolmonoxide vormen.
Het resultaat is een laag-energetisch proces dat koolstofatomen relatief voorzichtig verwijdert. Het creëren van een patroon op het oppervlak van diamant is dan gewoon een kwestie van het vinden van een manier om te voorkomen dat watermoleculen aan het diamantoppervlak hechten of van het blokkeren van de werking van elektronen in een vooraf gedefinieerde vorm.
Martin en co demonstreren hun techniek met behulp van een masker van silica dat op een diamantoppervlak is geplaatst, dat de doorgang van elektronen met lage energie verspert. Vervolgens plaatsen ze de diamant in een atmosfeer van waterdamp en scannen vervolgens een elektronenstraal met lage energie over het blootgestelde oppervlak om de diamant te verwijderen.
De resultaten zijn indrukwekkend. Het team heeft diamanten pilaren gemaakt, patronen in diamantoppervlakken gekerfd en zelfs woorden geschreven op nanodiamantfacetten onder een hoek met de elektronenstraal.
Dat heeft veel potentiële toepassingen. Het door elektronen geïnduceerde chemische etsen effent de weg naar een transformatieve technologie voor nanofabricage van diamant, zeggen Martin en co.
Een van de meest opwindende mogelijkheden is in quantum computing, waar het vermogen om afzonderlijke fotonen te manipuleren cruciaal is. Dat is mogelijk met diamant dankzij een fenomeen dat stikstofvacature-luminescentie wordt genoemd, waarbij een stikstofatoom in de diamantstructuur wordt vervangen in plaats van een koolstof.
Omdat stikstof één elektron minder in zijn buitenste schil heeft, ontstaat er een leegte in het kristal. En dit kan voor alles worden gebruikt, van het produceren van fotonen tot het detecteren van magnetische of elektrische velden, allemaal bij kamertemperatuur.
Met de nieuwe techniek wordt het ineens mogelijk om allerlei constructies te fabriceren met stikstof-leegstandscentra erin. Het is de eerste stap in de richting van het renderen van 3D-geometrie van eenkristaldiamant voor hoogwaardige fotonische, sensing- en kwantumapparaten, zeggen Martin en co.
Het team noemt zijn nieuwe techniek elektronenstraal-geïnduceerd etsen of EBIE. Verwacht er nog veel over te horen.
Referentie: arxiv.org/abs/1403.4067 : Subtractief 3D-printen van optisch actieve diamantstructuren