Distanza di movimento del fuoco in base all'impulso della conduttività elettrica e del diametro della modifica interna del diamante indotta dal laser a picosecondi

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17371 (2022) Citare questo articolo

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Le modifiche interne e locali tramite illuminazione laser a impulsi ultrabrevi sul diamante sono promettenti per la produzione di dispositivi elettronici con diamante. È stata studiata la relazione tra il diametro/conduttività elettrica delle regioni modificate e la distribuzione della fluenza laser. L'illuminazione laser a picosecondi senza scansione del fuoco laser ha fabbricato brevi regioni modificate nel diamante. Di conseguenza, la distribuzione della fluenza laser calcolata corrisponde alla distribuzione delle regioni modificate. Le regioni modificate a forma di filo sono state fabbricate tramite illuminazione laser con scansione del fuoco laser e il diametro corrispondente e la conduttività elettrica sono stati studiati controllando la distanza di movimento del fuoco laser per impulso (Vf). Le regioni modificate fabbricate con Vf variabile sono state suddivise in tre categorie a seconda dell'andamento del rapporto tra diametro e conducibilità elettrica. I diametri delle regioni modificate erano costanti ai valori massimi quando Vf era sufficientemente piccolo, diminuivano all'aumentare di Vf e raggiungevano il minimo quando Vf era sufficientemente grande. Le regioni modificate sono diventate più elettricamente conduttive all’aumentare di Vf, anche quando l’energia depositata per unità di lunghezza è diminuita. Inoltre, la conduttività elettrica diminuiva significativamente quando il diametro diventava costante al valore minimo. Infine, è stata chiarita la relazione tra diametro/conduttività elettrica delle regioni modificate e distribuzione della fluenza laser.

I diamanti possiedono proprietà superiori per l'uso in molte applicazioni, come grani abrasivi e utensili da taglio (utilizzando la durezza dei diamanti)1, nonché in dispositivi di informazione quantistica come sensori per la rotazione degli elettroni (utilizzando il centro di azoto vuoto creato all'interno di un diamante) 2. A causa della loro elevata conduttività termica e rigidità dielettrica, si prevede che i diamanti verranno utilizzati come semiconduttori in dispositivi ad alta potenza. Sono stati condotti numerosi studi sui semiconduttori di diamante, compreso lo sviluppo di un metodo di sintesi del diamante su larga scala basato sulla deposizione chimica in fase vapore3,4,5.

È stato riportato che l'uso di un laser focalizzato a impulsi ultrabrevi può modificare localmente l'interno di un diamante tramite l'assorbimento di multifotoni6,7. Questa regione modificata cresce verso la sorgente laser e viene quindi formata una regione modificata a forma di filo tramite scansione con messa a fuoco laser8,9. La regione modificata costituisce carbonio amorfo (aC) ed è elettricamente conduttiva10,11. Questa grafitizzazione all'interno dei diamanti è stata confermata attraverso osservazioni della sezione trasversale della regione modificata a forma di filo tramite spettroscopia Raman e spettroscopia di perdita di energia degli elettroni12,13,14. L'illuminazione laser a picosecondi (ps) all'interno di un diamante grafitizza in modo efficiente il diamante rispetto all'illuminazione laser a femtosecondi15. La forma delle regioni modificate può essere controllata per formare strutture tridimensionali variando la direzione di scansione del fuoco laser16,17. Si prevede che le regioni modificate internamente dei diamanti verranno utilizzate, tra le altre cose, in dispositivi elettrici ad alta potenza, cristalli fotonici e applicazioni di fotodiodi.

Kononenko e Ashikkalieva hanno sviluppato un modello di meccanismo di modificazione dell'interno di un diamante misurando il tasso di crescita della regione modificata7,18. Inoltre, le forme, come il diametro e la lunghezza, e la conduttività elettrica delle regioni modificate sono state controllate variando i parametri del laser10,11. Tuttavia, la relazione dettagliata tra diametro/conduttività elettrica delle regioni modificate e i parametri laser non è stata studiata. La fabbricazione di regioni modificate con proporzioni elevate ed elettricamente conduttive è essenziale per la produzione di piccole applicazioni integrate adatte allo sviluppo di dispositivi elettrici. Inoltre, per una produzione efficiente di dispositivi elettrici è preferibile fabbricare la regione modificata utilizzando la scansione laser ad alta velocità.

Vf. In Fig. 6b, the minimum of Vg = Vf and modification also occurs at Fdmax. Here, Vga and Vgb are defined as Vg in Fig. 6a,b, respectively. The relationship between these values is Vgb > Vga; hence, the modified region in Fig. 6b was fabricated closer to the laser focus, that is, a higher laser fluence than that in Fig. 6a. The electrical conductivity in Fig. 6b is higher than that in Fig. 6a because of the higher laser fluence. In conclusion, the diameter of the modified wire-shaped regions is constant at the maximum value, regardless of the value of Vf. In contrast, the electrical conductivity increased with the focus movement distance per pulse of Vf because the modified region with a larger Vf was fabricated under a higher laser fluence./p> Vf > Vg min. The fabricated point was closer to the laser focus, where the value of Vg increased with Vf. The diameter of the modified wire-shaped region decreased depending on the fluence distribution. The electrical conductivity of the wire-shaped modified region increases with a larger Vf because the modified region was fabricated using a high laser fluence, as shown in Fig. 6a,b./p> Vg max. The laser focus did not overlap with the modification formed by the previous pulse and the modified region did not absorb the pulse. The dotted modified region was fabricated intermittently, as shown in Fig. 4e. The diameter of the dotted modified region became constant at a minimum value, regardless of the value of Vf, because it depends on the shape of the fluence distribution of the fabrication threshold at the laser focus. The conductivity decreased significantly because the modification was not connected./p>