Diamantur komponenter

SNSF-finansierede forskere har udviklet en ny teknik til udskæring af materialer til at skabe mikromekaniske systemer. I særdeleshed, de har skabt en minimal urkomponent af syntetisk enkrystal diamant.

Diamant er meget hård og elastisk, en meget god termisk leder og meget gennemsigtig, hvilket gør den ideel til mange mekaniske og optiske applikationer. Men at skære det i komplekse former med mikrometer (en tusindedel af en millimeter) præcision er fortsat meget udfordrende. En proces udviklet af teamet af Niels Quack, en SNSF professor ved EPFL, gør det muligt at udskære et mikromekanisk ursystem – et tre-millimeter-diameter escapement-hjul og anker – ud af syntetisk en-krystal diamant.

Lausanne-teamet har forfinet en teknik kendt som "reaktiv ionætsning", som er meget udbredt i computerchipindustrien. Forskerne er således i stand til at skære syntetisk diamant i tredimensionelle former, der er 0,15 millimeter tykke, dvs. tre gange større end de tykkeste eksisterende strukturer. "Vi er tæt på at se industristandardtykkelse, hvilket er omkring 0,2 millimeter", forklarer Quack. "Vores teknik er interessant for industrien, og vi er i diskussioner med et schweizisk urfirma. Vi tror på, at diamant giver reduceret friktion, hvilket skulle øge effektreserven. Så lang tid går der, før uret skal spoles tilbage. Men det er stadig en hypotese, der skal testes." Diamant har andre fordele til urfremstilling:den er gennemskinnelig og kan farves, og er også ikke-magnetisk – en højt værdsat egenskab på det nuværende marked.

Tidligere, reaktiv ionætsning kunne kun skabe strukturer, der er 0,05 millimeter tykke:når ionerne (elektrisk ladede atomer) accelereres af et elektrisk felt, de fjerner ikke kun diamantlagene på udvalgte steder; de æder også masken væk, der definerer den ønskede form. Dybden af ​​de strukturer, der kan opnås, er således begrænset af maskens modstand og tykkelse. På mindre end seks måneder, Adrien Toros, en videnskabelig assistent ved EPFL's Institute of Microelectronics, udviklet en dobbeltlagsmaske, der består af et lag aluminium, som klæber godt til diamant, anbragt under et andet lag siliciumdioxid, som er tyk og mere modstandsdygtig over for ionaktivitet. Resultatet er en hurtigere ætsningsproces, der muliggør næsten vertikal, og dybere, nedskæringer.

Med støtte fra Innosuisse (tidligere CTI), holdet planlægger at fortsætte samarbejdet med den schweiziske producent af syntetiske diamanter Lake Diamond, hos hvem holdet har indgivet patent. "På mellemlang sigt vil denne nye teknik give os mulighed for at producere og kommercialisere præcise mikrometerkomponenter, og dermed udvide vores aktivitetsområde", siger Pascal Gallo, virksomhedens administrerende direktør.

I et andet projekt, forskerne arbejder på at udvikle optiske komponenter fra ultraren diamant, såsom linser, der bruges til termisk billeddannelse, som opererer inden for det infrarøde spektrum, samt laserkomponenter til industriel skæring.

"Da mit forskningsprojekt startede i 2015, Jeg havde aldrig forestillet mig alle de industrielle anvendelser", siger Niels Quack. "Men vi så hurtigt potentialet i vores arbejde og lykkedes med at udvikle det til praktiske anvendelser takket være støtte fra Gebert Rüf Stiftung. For mig, dette er en perfekt illustration af, hvordan grundforskning ofte resulterer i anvendelser, som ingen forudsagde, men det er attraktivt for industrien. Det er vigtigt at have et åbent sind."