新的激光技术在金刚石表面实现了原子级精度

量子力学的梦 2024-12-13 01:56:36

示意图显示了通过光栅化聚焦 UV 光束实现的大面积处理。来源:应用表面科学 (2024)。DOI: 10.1016/j.apsusc.2024.161816

想象一下,将一个物体放在显微镜下,然后按下一个按钮,以原子级的精度重新排列表面原子。由于发表在 Applied Surface Science 上的开创性研究,这个曾经科幻的场景现在已成为现实。

“我们的激光方法在标准空气环境中对金刚石表面进行原子级控制,”首席研究员 Mojtaba Moshkani 博士说。

“这种精度水平通常只有使用大型、复杂的真空设备才能实现。通过简单的激光工艺实现它的能力确实非常出色。

利用深紫外 (UV) 激光的力量,研究人员开发了一种对钻石进行精确表面处理的技术。该方法允许受控地去除低至 1% 的单个原子层,从而对金刚石表面的结构和特性提供前所未有的控制。

该团队使用深紫外激光展示了精确传递的光脉冲如何触发钻石表面的局部化学反应。该反应由双光子过程驱动,选择性地从顶部原子层去除碳原子。

这一突破将改变电子、量子器件和先进制造领域的应用,在这些应用中,即使对表面原子的配置进行微小的调整,也可以显著提高器件性能。

增强的导电性

最令人兴奋的发现之一是,激光处理后,金刚石表面电导率显著提高,最高可达 7 倍。麻省理工学院林肯实验室的合作者独立证实了这一增强功能。

“我们很惊讶,对表面进行如此微小的调整就能产生如此显着的电导率提升,”团队负责人 Richard Mildren 教授说。

这一结果是解决使金刚石成为半导体可行材料所面临的挑战的关键一步。金刚石的独特特性,包括高导热性和抗电击穿性,使其成为高功率、高频电子设备的理想选择。

面向行业的速度和可扩展性

该技术不仅精确而且快速。在目前的实验中,激光器仅需 0.2 毫秒即可去除 1% 的单层。这使其成为大规模工业应用(如晶圆加工)的有前途的候选者。

“我们已经证明,该过程既快速又可扩展,”Moshkani 博士补充道。“对于需要先进材料加工的行业来说,这是一个极具吸引力的选择。”

对量子技术的影响

除了电子学之外,这一发现对量子技术也有深远的影响。金刚石表面在稳定量子态(例如量子计算机中使用的量子态)方面起着关键作用。以原子精度设计金刚石表面的能力可能成为研究人员和工业界的重要工具。

“这只是个开始,”米尔德伦教授说。“我们很高兴能够探索如何进一步优化这项技术,以释放钻石在电子、量子技术等领域的全部潜力。”

更多信息:Mojtaba Moshkani 等人,亚单层激光蚀刻对 (100) 金刚石表面化学和电学性能的影响,应用表面科学(2024 年)。DOI: 10.1016/j.apsusc.2024.161816

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