萊斯大學(xué)與美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室合作成果：過簡(jiǎn)化生產(chǎn)和提高可持續(xù)性，這種新方法可以促進(jìn)變革性的金剛石技術(shù)的發(fā)展。
近日，萊斯大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了一種更簡(jiǎn)單、更有效的剝離方法：他們發(fā)現(xiàn)，在離子注入后在基底頂部生長(zhǎng)一層額外的金剛石外延層，即可使損傷層變成石墨狀，而無(wú)需高溫退火。根據(jù)發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上的一項(xiàng)研究，這種改進(jìn)的技術(shù)可以繞過高溫退火，并生成比原始基底更高純度的金剛石薄膜。此外，基底在此過程中受到的損傷極小，并且可以重復(fù)使用，從而使整個(gè)工藝既資源高效又可擴(kuò)展。
金剛石因其無(wú)與倫比的硬度、導(dǎo)熱性能以及容納量子缺陷的能力，成為先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域最珍貴的材料之一。金剛石的這些特性使其極具實(shí)用價(jià)值，但也使其加工困難。在量子傳感器、電力電子或熱管理技術(shù)領(lǐng)域，工程師和研究人員需要將金剛石加工成超薄、超光滑的層狀結(jié)構(gòu)。然而，激光切割和拋光等傳統(tǒng)技術(shù)往往會(huì)損壞材料或產(chǎn)生表面缺陷。離子注入后，在基底上生長(zhǎng)一層額外的金剛石外延層，足以使受損層變成石墨狀。
離子注入剝離是一種將薄層金剛石從較大晶體中分離出來(lái)的方法，該方法利用高能碳離子轟擊金剛石基底，使碳離子穿透到表面以下特定深度。該工藝在金剛石基底中晶格被破壞的位置形成一個(gè)埋層。該損傷層實(shí)際上就像一條接縫：經(jīng)過高溫退火，它會(huì)變成光滑的石墨，從而允許其上方的金剛石層剝離成一個(gè)均勻的超薄晶圓。“我們發(fā)現(xiàn)，金剛石的過度生長(zhǎng)會(huì)將埋藏的損傷層轉(zhuǎn)化為一層薄薄的石墨片，從而無(wú)需耗能退火，”萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程助理研究教授、該研究的通訊作者張翔說(shuō)道。“由此產(chǎn)生的金剛石薄膜比原始金剛石更純凈、質(zhì)量更高，達(dá)到了電子級(jí)的質(zhì)量。”研究人員發(fā)現(xiàn)，這些超純金剛石薄膜“可能會(huì)徹底改變電子技術(shù)，使更快、更高效的設(shè)備成為可能，或者成為解決當(dāng)今無(wú)法解決的問題的量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。”外延層（從頂部）、受損基底、石墨層和基底的掃描電子顯微鏡圖像。為了在基底上生長(zhǎng)一層新的金剛石，研究人員采用了微波等離子體化學(xué)氣相沉積法，這種方法可以將新的金剛石材料沉積到表面，并與底層晶體完美對(duì)齊。研究人員假設(shè)，生長(zhǎng)過程本身的條件足以驅(qū)動(dòng)埋藏的損傷層轉(zhuǎn)化為石墨，而無(wú)需額外加熱。為了證實(shí)這一理論，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、拉曼光譜和光致發(fā)光映射，研究了金剛石過度生長(zhǎng)過程中金剛石基底、埋藏的損傷層和過度生長(zhǎng)薄膜之間的界面如何演變。研究人員表示：“通過將原子級(jí)成像與光譜特征關(guān)聯(lián)起來(lái)，來(lái)證明金剛石過度生長(zhǎng)足以形成干凈的石墨釋放層，保持基底的光滑度并產(chǎn)生電子級(jí)金剛石薄膜，這對(duì)量子技術(shù)至關(guān)重要。”
來(lái)源：https://news.rice.edu/ （圖片由萊斯大學(xué)張實(shí)驗(yàn)室提供）
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