Diamantmönsterteknik kan förvandla fotonik

En av vår tids möjliggörande teknologier är fotolitografi, den process som skapar mönster på ytan av material som kisel, kiseldioxid och andra komponenter i mikroelektroniska enheter.

Det är svårt att överskatta vikten av denna teknik. Nästan alla mikrochips görs med hjälp av det så att frukterna av denna uppfinning genomsyrar vår värld.

Nu har datavetare börjat se bortom kisel efter nästa generations chips och de bortom det. Och ett av de mest spännande materialen de undersöker är diamant.

Men det är ett problem. Att göra enheter av diamant är en svår affär på grund av dess kemiska robusthet. Fotolitografi fungerar helt enkelt inte.

Istället kan fysiker bara skära ytan av diamant med hjälp av högenergiprocesser som högeffekts laserablation och jonbombardement. Och dessa förstör ofta ytan och allt på den.

Vad de behöver inläst är en process som producerar mönster på ytan av diamant lika lätt som fotolitografi gör med kisel.

Idag säger Aiden Martin och kompisar vid University of Technology i Sydney, Australien, att de utvecklat en sådan teknik. De har hittat ett sätt att tillverka strukturer av diamant med en lågenergiteknik som inte skadar ytan eller förstör strukturer i närheten.

Den nya tekniken är relativt okomplicerad. Det bygger på det faktum att vattenmolekyler tenderar att fästa vid diamantytan. Martin och co bryter sedan isär vattenmolekylerna med lågenergielektroner som skapar väte- och syreradikaler. Syreradikalerna är så reaktiva att de river ut kolmolekyler ur diamantkristallen och bildar kolmonoxid.

Resultatet är en lågenergiprocess som tar bort kolatomer relativt skonsamt. Att skapa ett mönster på diamantytan är då helt enkelt en fråga om att hitta ett sätt att förhindra att vattenmolekyler fäster vid diamantytan eller att blockera verkan av elektroner i en fördefinierad form.

Martin och co demonstrerar sin teknik med hjälp av en mask av kiseldioxid placerad på en diamantyta, som hindrar passage av lågenergielektroner. De placerar sedan diamanten i en atmosfär av vattenånga och skannar sedan en lågenergielektronstråle över den exponerade ytan för att avlägsna diamanten.

Resultaten är imponerande. Teamet har skapat diamantpelare, har ristat in mönster i diamantytor och har till och med skrivit ord på nanodiamantfacetter i vinkel mot elektronstrålen.

Det har många potentiella tillämpningar. Den elektroninducerade kemiska etsningen banar väg för en transformativ teknologi för nanotillverkning av diamant, säger Martin och co.

En av de mest spännande möjligheterna finns inom kvantberäkning, där förmågan att manipulera enstaka fotoner är avgörande. Det är möjligt med diamant tack vare ett fenomen som kallas kvävevakansluminescens, där en kväveatom ersätts i diamantstrukturen istället för ett kol.

Eftersom kväve har en elektron mindre i sitt yttre skal, skapar det en tomhet i kristallen. Och detta kan användas för allt från att producera fotoner till att detektera magnetiska eller elektriska fält, allt vid rumstemperatur.

Med den nya tekniken blir det plötsligt möjligt att tillverka alla typer av strukturer med kvävevakanscentra i dem. Det är det första steget mot att rendera 3D-enkristalldiamantgeometrier för högpresterande fotonik-, avkännings- och kvantenheter, säger Martin och co.

Teamet kallar sin nya teknik elektronstråleinducerad etsning eller EBIE. Räkna med att höra mycket mer om det.

Ref: arxiv.org/abs/1403.4067 : Subtraktiv 3D-utskrift av optiskt aktiva diamantstrukturer

Dölj