Distanza di movimento del fuoco in base all'impulso della conduttività elettrica e del diametro della modifica interna del diamante indotta dal laser a picosecondi

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17371 (2022) Citare questo articolo

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Le modifiche interne e locali tramite illuminazione laser a impulsi ultrabrevi sul diamante sono promettenti per la produzione di dispositivi elettronici con diamante. È stata studiata la relazione tra il diametro/conduttività elettrica delle regioni modificate e la distribuzione della fluenza laser. L'illuminazione laser a picosecondi senza scansione del fuoco laser ha fabbricato brevi regioni modificate nel diamante. Di conseguenza, la distribuzione della fluenza laser calcolata corrisponde alla distribuzione delle regioni modificate. Le regioni modificate a forma di filo sono state fabbricate tramite illuminazione laser con scansione del fuoco laser e il diametro corrispondente e la conduttività elettrica sono stati studiati controllando la distanza di movimento del fuoco laser per impulso (Vf). Le regioni modificate fabbricate con Vf variabile sono state suddivise in tre categorie a seconda dell'andamento del rapporto tra diametro e conducibilità elettrica. I diametri delle regioni modificate erano costanti ai valori massimi quando Vf era sufficientemente piccolo, diminuivano all'aumentare di Vf e raggiungevano il minimo quando Vf era sufficientemente grande. Le regioni modificate sono diventate più elettricamente conduttive all’aumentare di Vf, anche quando l’energia depositata per unità di lunghezza è diminuita. Inoltre, la conduttività elettrica diminuiva significativamente quando il diametro diventava costante al valore minimo. Infine, è stata chiarita la relazione tra diametro/conduttività elettrica delle regioni modificate e distribuzione della fluenza laser.

I diamanti possiedono proprietà superiori per l'uso in molte applicazioni, come grani abrasivi e utensili da taglio (utilizzando la durezza dei diamanti)1, nonché in dispositivi di informazione quantistica come sensori per la rotazione degli elettroni (utilizzando il centro di azoto vuoto creato all'interno di un diamante) 2. A causa della loro elevata conduttività termica e rigidità dielettrica, si prevede che i diamanti verranno utilizzati come semiconduttori in dispositivi ad alta potenza. Sono stati condotti numerosi studi sui semiconduttori di diamante, compreso lo sviluppo di un metodo di sintesi del diamante su larga scala basato sulla deposizione chimica in fase vapore3,4,5.

È stato riportato che l'uso di un laser focalizzato a impulsi ultrabrevi può modificare localmente l'interno di un diamante tramite l'assorbimento di multifotoni6,7. Questa regione modificata cresce verso la sorgente laser e viene quindi formata una regione modificata a forma di filo tramite scansione con messa a fuoco laser8,9. La regione modificata costituisce carbonio amorfo (aC) ed è elettricamente conduttiva10,11. Questa grafitizzazione all'interno dei diamanti è stata confermata attraverso osservazioni della sezione trasversale della regione modificata a forma di filo tramite spettroscopia Raman e spettroscopia di perdita di energia degli elettroni12,13,14. L'illuminazione laser a picosecondi (ps) all'interno di un diamante grafitizza in modo efficiente il diamante rispetto all'illuminazione laser a femtosecondi15. La forma delle regioni modificate può essere controllata per formare strutture tridimensionali variando la direzione di scansione del fuoco laser16,17. Si prevede che le regioni modificate internamente dei diamanti verranno utilizzate, tra le altre cose, in dispositivi elettrici ad alta potenza, cristalli fotonici e applicazioni di fotodiodi.

Kononenko e Ashikkalieva hanno sviluppato un modello di meccanismo di modificazione dell'interno di un diamante misurando il tasso di crescita della regione modificata7,18. Inoltre, le forme, come il diametro e la lunghezza, e la conduttività elettrica delle regioni modificate sono state controllate variando i parametri del laser10,11. Tuttavia, la relazione dettagliata tra diametro/conduttività elettrica delle regioni modificate e i parametri laser non è stata studiata. La fabbricazione di regioni modificate con proporzioni elevate ed elettricamente conduttive è essenziale per la produzione di piccole applicazioni integrate adatte allo sviluppo di dispositivi elettrici. Inoltre, per una produzione efficiente di dispositivi elettrici è preferibile fabbricare la regione modificata utilizzando la scansione laser ad alta velocità.