Русский (Russian Federation)English (United Kingdom)

Интенсивное развитие нанотехнологий в мировом сообществе приводит к удивительным открытиям в науке и технике. Эти достижения, находясь иногда на стыке различных научных направлений, открывают новые, порой неожиданные возможности для научно-технического творчества, обеспечивая необратимый прогресс в развитии человечества и открывая новые горизонты для нашей деятельности.

- Вступление

- Поверхность

- Различные конфигурации поверхности алмаза

- Перспективы применения

- Заключение

Творческая инициативная группа исследователей нашего Центра сделала удивительное открытие в области механической обработки кристаллов алмаза. Полученные исследователями экспериментальные результаты позволили эту работу выделить в отдельное направление и создать в 2010 году Лабораторию Экспериментальных Технологий.

Суть явления довольно проста. Обрабатывающий инструмент вращается и перемещается по определённому алгоритму. При механическом воздействии зёрен абразива на обрабатываемую алмазную поверхность в алмазе возникают гармонические акустические колебания кристаллической решётки, и создаётся определённая система упругих волн. Скорость звука в алмазе составляет порядка 18 километров в секунду. Затухание этих волн очень мало, вот они и могут довольно долго носиться в кристалле, перенося энергию и формируя некое волновое энергетическое поле в объёме кристалла.

Создано оборудование, обеспечивающее максимально допустимую для алмаза и на уровне его атомной структуры генерацию энергии акустических колебаний. Взаимодействуя между собой в объёме кристалла, эти волны могут сконцентрировать значительную энергию, которая может изменить не только исследованные свойства этого материала, но и проявиться в новом, неизвестном состоянии.

Суть способа можно описать следующим образом: создание в кристалле алмаза при его обработке системы когерентных бегущих упругих волн. При определенных условиях такого волнового возбуждения системы кристалла достигается значительный уровень локальной концентрации волновой энергии. При этом концентрирование энергии происходит, как правило, в отдельных микрообластях (доменах) объема кристалла. В рассматриваемой модели под понятием домен понимается изолированный элемент пространственно-энергетической структуры возбужденного кристалла, где реализуется интенсивное взаимодействие бегущих волн.
Процесс взаимодействия волн в объеме алмаза сопровождается возбуждением фононной подсистемы домена и контролирует характер поглощения волновой энергии кристаллической средой. Критическая ситуация в процессе концентрирования энергии создается, когда частота колебаний атомов в каждом домене достигает значения D (дебаевская частота колебаний атомов в алмазе составляет порядка-10^14 сек-1). Амплитуда колебаний атомов становится соизмеримой с параметром элементарной ячейки а0 алмаза (а0  = 0,357 нм). В этой ситуации накопленная энергия взаимодействующих волн поглощается кристаллической средой не равномерно, а всей порцией. То есть, реализуется квантово размерный эффект поглощения волновой энергии. При квантово термодинамическом рассмотрении процесса оказывается, что за малое время концентрирования энергии в домене (приблизительно D -1) уровень волновой энергии может достигать значения 10^-13 : 10^-14 Дж, и в объеме домена может развиваться температурный импульс в несколько тысяч градусов Кельвина.
ПОВЕРХНОСТЬ.
Отличительной особенностью нового способа обработки алмазной поверхности от традиционно используемой технологии обработки алмаза в бриллианты является отсутствие условий для образования микросколов. В результате такого «бережного» воздействия на алмаз шероховатость его поверхности может составлять десятые доли нанометра. При этом используемый в новом способе обработки алмазный абразив может составлять несколько десятков микрон. Подобный эффект объясняется преимущественным вкладом в процесс обработки энергии упругих волн. Взаимодействуя между собой, эти волны создают на поверхности алмаза определённый, характерный для данного метода «мотив» рельефа поверхности, как бы создавая на алмазе своеобразную волновую картину.
Высокоэнергетичные домены являются наиболее вероятными местами разрушения поверхностного слоя кристалла. При таком локальном разрушении поверхностного слоя упругое давление в этих доменах составляет примерно (1.6  2.5)  109 Н  м –2. Это на порядок величины меньше критического напряжения с  2 1010  Н  м –2 , необходимого для возникновения поверхностной трещины по известным моделям Герца и Ауэрбаха, где разрушение кристалла происходит путем образования микросколов. В связи с этим можно предположить, что при определенных условиях управляемого когерентного волнового воздействия на кристалл материал из его поверхностного слоя будет удаляться преимущественно в форме нанокластеров.
По нашим оценкам размер этих кластеров находится в диапазоне от 3 до 350 нм, в зависимости от условий волнового возбуждения, созданных при обработке алмаза. Заметим, что изменение поверхностной энергии при удалении кластеров не превышает 10-14 Дж. Т.е. имеет место энергетический выигрыш в этом процессе, что является косвенным подтверждением реализации механизма удаления материала в виде нанокластеров. В процессе такого кластерного удаления материала формируется своеобразный рельеф обрабатываемой поверхности.
Сформированный новым методом микрорельеф поверхности алмаза (111) в зависимости от времени волнового возбуждения приведен на рисунках, где Ra – шероховатость, Rq - среднеквадратическая шероховатость, Rmax - размах высот.

Изображение поверхности подложки (111), обработанной с применением способа волнового возбуждения. Время воздействия 10 мин. Ra = 4,433nm,  Rq = 5,952nm,  Rmax = 53,303nm.

Изображение поверхности подложки (111). Время воздействия 15 мин. Ra = 1,522nm,  Rq = 2,288nm,  Rmax = 21,864nm.

Изображение поверхности подложки (111). Время воздействия 20 мин. Ra = 0,974nm,  Rq = 1,738nm,  Rmax = 28,152nm.

Изображение поверхности подложки (111). Время воздействия 25 мин. Ra = 0,546nm,  Rq = 0,704nm,  Rmax = 6,485nm.

Для сравнения приведено изображение рельефа поверхности подложки (111), обработанной стандартным механическим способом (Ra ~ 18,3 nm).

Изображение поверхности подложки алмаза, обработанной по стандартной технологии, применяемой при огранке алмазов в бриллианты. Ra = 18,271nm,  Rq = 20,283nm,  Rmax = 214,866nm.

Характерная периодичность рельефа и сформированное им энергетическое состояние поверхности нового способа обработки, на наш взгляд, являются важным общим фактором, влияющим на проведение ростовых эпитаксиальных процессов при получении монокристаллических пленок на поверхностях алмаза.

РАЗЛИЧНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ АЛМАЗА.

Проведенные исследования перспективности созданного способа обработки алмаза показали, что вполне возможно формировать кристаллы с конфигурацией поверхности, описываемой уравнениями третьего порядка. Изменение механических свойств алмаза в зависимости от кристаллографической ориентации кристалла не имеет особого влияния на реализацию эффекта кластерного удаления материала и позволяет эффективно обрабатывать поверхности любой кристаллографической ориентации. Подобный подход позволил сформировать параболические, сферические, цилиндрические, конусообразные поверхности на алмазе.

 

Возможные конфигурации поверхности кристаллов алмаза.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Учитывая возможности современных технологий, в частности нанотехнологии, и достоинства созданного нами способа обработки и формирования поверхности алмаза, можно предположить зарождение нового направления в приборостроении. Суть этого направления – создание полупроводниковых пленочных структур не только на плоских подложках, но и на поверхностях трехмерного кристалла. В этом случае кристалл алмаза является единой основой для различных видов многофункциональных приборов, созданных на каждой его поверхности.

Возможности нанотехнологии позволяют, например, включить в прибор как светоизлучающую так и фотоприемную структуры. В этом случае спектральные характеристики алмаза (как основы всего изделия) могут быть использованы для коммуникационной оптической связи между структурными компонентами, сформированными на каждой поверхности кристалла.

В качестве примера можно продемонстрировать предполагаемую заготовку для создания будущего прибора.

Предполагаемая заготовка будущего прибора.(а – четыре алмазные грани, b – сегменты параболоида) Размер основания (диаметр) 5,5мм, высота заготовки 4 мм.

В этом варианте, на четырех гранях алмазного кристалла (а), можно расположить разнообразные полупроводниковые структуры. Сегменты параболоида (b) могут нести функцию фокусирующего элемента светового потока на нижнюю плоскость. На этой плоскости может, например, располагаться гетерокомпозиция многокаскадного преобразователя солнечной энергии в электрическую. Возможны и другие варианты предполагаемых заготовок.

 

Другой вариант заготовки будущего прибора.(а – плоская поверхность, b – сферическая поверхность)

 

В этом случае на плоской поверхности (а) можно расположить необходимую рабочую структуру. Сферическая поверхность (b) позволяет направлять световой поток на нижние плоскости, где возможно создать либо фотоприемное устройство, либо преобразователь солнечной энергии. Все демонстрируемые поверхности подготовлены для ростовых процессов и их шероховатость не превышает 0,2 – 1.0 нм. Полученный рельеф шероховатости (Ra) позволяет использовать обработанные кристаллы для приборов, работающих в УФ части спектрального диапазона.

Такое качество обработки поверхности позволяет создавать алмазные линзы, эффективно работающие в широком диапазоне оптического спектра. Ниже приведено изображение короткофокусной (фокусное расстояние не более 2мм) алмазной линзы, с шероховатостью поверхности, не превышающей 1.0 нм.

Короткофокусная алмазная линза.

 

Учитывая спектральные характеристики алмаза, подобные линзы могут найти применение в технологиях, работающих с использованием широкого спектра оптического диапазона.

Приведенные примеры трехмерных образований из кристалла алмаза создают предпосылки для создания нового направления в нанотехнологиях. Это может быть востребовано для современных технологий опто - и микроэлектроники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В общих чертах некоторые возможности нового способа обработки можно охарактеризовать следующими экспериментальными результатами:

- изменение содержания азота в объеме кристалла;

- изменение дефектно-примесной структуры алмаза, снятие внутренних напряжений;

- улучшение оптических характеристик алмаза (в частности уменьшение величины оптической анизотропии);

- достижение величины шероховатости обработанной поверхности на атомарном уровне;

- создание трехмерных форм из кристаллов алмаза (параболических, сферических, цилиндрических, конусообразных);

- изготовление короткофокусных алмазных линз, эффективно работающих в широком диапазоне оптического спектра;

- создание оригинальных ювелирных изделий.

Как любое новое направление в науке, разработанный способ обработки алмаза таит в себе ещё много новых возможностей. Получаемые сегодня удивительные экспериментальные результаты ещё требуют детального изучения. Наша лаборатория продолжает исследования и приглашает к сотрудничеству заинтересованных лиц и организаций, чтобы совместными усилиями создать новые перспективные приборы и изделия на кристаллах алмаза.

- Наверх

 

 

Templates Joomla 1.5