Ny indsigt i nanomønstret diamant

Evnen til at ætse nanostrukturer på overfladen af ​​diamant forventes at have en bred vifte af potentielle anvendelser, men indtil videre har ætsning og mønstre af diamanter på nanoskala været udfordrende, da diamant er meget kemisk inert (ikke-reaktiv). I en ny undersøgelse, forskere har undersøgt en teknik, hvor en elektronstråle bruges til nanomønstret diamant, med resultaterne, der giver ny indsigt i nye nanofabrikationsprocesser.

Forskerne, James Bishop et al., ved University of Technology Sydney i Sydney, Australien, har udgivet et papir om nanomønster og ætsning af diamant i et nyligt nummer af ACS Nano .

I deres arbejde, forskerne undersøgte en teknik kaldet gas-medieret elektronstråle-induceret ætsning. Metoden kræver ingen maske eller resistlag og bruger elektronstrålebestråling i nærvær af reaktive gasser til direkte at ætse diamanter og andre materialer med en rumlig opløsning så høj som 10 nanometer. Det undgår også de resterende skadesproblemer forbundet med fysiske ætsningsteknikker såsom fokuseret ionstråle eller reaktiv ionætsning, muliggør ætsning med minimal skade på det underliggende materiale.

Indtil nu, det meste arbejde med denne metode har vist ætsning, der virker ensartet, eller isotrop. Imidlertid, for at skabe ønskede mønstre eller selektivt eksponere visse krystalplaner, det bliver nødvendigt at ætse selektivt i forskellige retninger, som kaldes anisotropisk ætsning.

Ved at bruge en kombination af eksperimentelle og beregningsmæssige teknikker, forskerne fandt ud af, at ilt og brintgasser spiller forskellige roller i ætseprocessen. I særdeleshed, ilt forårsager hurtig, effektiv og isotropisk ætsning, mens tilsætning af brint sænker hastigheden af ​​ætsning af visse krystalplan mere end andre, muliggør anisotropisk ætsning. Anisotropisk ætsning har længe været brugt sammen med andre materialer som silicium og galliumnitrid for at skabe mikro/nano-strukturer med næsten perfekt symmetri og ultraglatte krystalplaner. Dette nye arbejde fremhæver en metode til potentielt at opnå lignende resultater med diamant.

Forskerne fandt ud af, at efterhånden som der tilføres mere brint til systemet, mønstre dukker op, hvis træk er på linje med krystalretningerne af diamantgitteret. Forskerne forklarer, at disse mønstre er forårsaget af brints foretrukne passivering af visse krystalplan frem for andre. Forskerne viste også, at det er muligt at kontrollere anisotropien ved at kontrollere mængden af ​​brint, og følgelig at manipulere geometrierne af overflademønstrene. Dette gjorde det muligt for forskerne at skabe en detaljeret model af ætsningskinetikken, som skulle forenkle fremtidige tørætsning nanofabrikationsprocesser for diamant og muliggøre fremstilling af tidligere uholdbare strukturer.

"Det vigtigste resultat af arbejdet er den kontrol over ætsningsanisotropi, som det muliggør, " Bishop fortalte Phys.org. "Isotopisk ætsning er nyttig til ætsning af vilkårligt formede strukturer. Anisotropisk ætsning er nyttig til at skabe strukturer med ultraglatte overflader og næsten perfekte symmetrier defineret af kinetikken af ​​den anisotrope ætsningsreaktion. Med elektronstråleinduceret ætsning ved hjælp af oxygen kan vi opnå isotropisk ætsning med høj hastighed, og ved at blande brint, opnå meget anisotropisk ætsning af diamant."

Evnen til kontrollerbart at ætse nanomønstre og selektivt blotlægge og udglatte visse krystalplaner på overfladen af ​​diamant har en lang række potentielle anvendelser. Forskellige nanomønstre og nanostrukturer kan, for eksempel, fremskynde neuronvækst på diamantoverflader til biosensing-applikationer, samt forbedre lysudvinding til fotoniske applikationer. Diamond bliver også undersøgt for dets mulige anvendelser til højeffektelektronik, elektrokemi, og katalyse, som alle kan have gavn af en simpel, høj opløsning nanomønster metode.

© 2018 Phys.org