Wafers van monokristallijn diamant binnen bereik

Aan de universiteit van Osaka is het hardste bekende materiaal gepolijst zonder het te beschadigen, wat het gebruik ervan in geavanceerde elektronica zal versnellen. Dat brengt krachtige stroomapparaten en koellichamen op basis van monokristallijn diamant binnen bereik.

Silicium is al decennia het werkpaard van elektronica. Een beperking van het materiaal is dat hoge temperaturen het beschadigen, wat de werksnelheid van op silicium gebaseerde elektronica beperkt. Monokristallijn diamant is een mogelijk alternatief voor silicium. Onderzoekers hebben onlangs een monokristallijne diamantwafer gefabriceerd, maar de bekende methoden voor het polijsten van het oppervlak – een vereiste voor gebruik in elektronica – zijn zowel traag als schadelijk.

In een onderzoek dat onlangs in Scientific Reports is gepubliceerd, hebben onderzoekers van de Universiteit van Osaka een monokristallijne diamantwafer gepolijst tot bijna atomaire gladheid. Dit maakt het mogelijk om ten minste enkele van de siliciumcomponenten van elektronische apparaten te vervangen.

Diamant is de hardst bekende stof en reageert in wezen niet met chemicaliën. Polijsten met een vergelijkbaar hard gereedschap beschadigt het oppervlak en de conventionele polijstchemie is traag. De onderzoekers hebben nu eerst het kwartsglasoppervlak aangepast en vervolgens de diamant gepolijst met gemodificeerd kwartsglasgereedschap. "Polijsten met behulp van plasma is een ideale techniek voor monokristallijn diamant", zegt hoofdauteur Nian Liu . "Het plasma activeert de koolstofatomen op het diamantoppervlak zonder de kristalstructuur te vernietigen, waardoor een kwartsglasplaat onregelmatigheden in het oppervlak voorzichtig wegwerkt."

De diamant had vóór het polijsten veel trapachtige kenmerken en was over het algemeen golvend, met een gemiddelde oppervlakteruwheid (RMS) van 0,66 micrometer. Na het polijsten waren de topografische defecten verdwenen en was de oppervlakteruwheid veel minder: 0,4 nanometer.

"Polijsten verminderde de oppervlakteruwheid tot bijna atomaire gladheid", zegt senior auteur Kazuya Yamamura. "Er waren geen krassen op het oppervlak, zoals te zien is bij mechanische gladmakende benaderingen."

Bovendien stellen de onderzoekers dat het gepolijste oppervlak chemisch ongewijzigd was. Ze hebben bijvoorbeeld geen grafiet gedetecteerd, dus geen beschadigde koolstof. De enige gedetecteerde onzuiverheid was een zeer kleine hoeveelheid stikstof uit de oorspronkelijke wafelbereiding.

"Met behulp van Raman-spectroscopie was de volledige breedte op de helft van de diamantlijnen in de wafer hetzelfde en waren de piekposities bijna identiek", zegt Liu. "Andere polijsttechnieken vertonen duidelijke afwijkingen van pure diamant."