Distância de movimento do foco por dependência de pulso da condutividade elétrica e diâmetro da modificação interna do diamante induzida pelo laser de picossegundos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17371 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Modificações internas e locais por meio de iluminação a laser pulsada ultracurta para diamante são promissoras para a fabricação de dispositivos eletrônicos de diamante. A relação entre o diâmetro/condutividade elétrica das regiões modificadas e a distribuição da fluência do laser foi investigada. A iluminação a laser de picossegundos sem escanear o foco do laser fabricou pequenas regiões modificadas em diamante. Como resultado, a distribuição calculada da fluência do laser corresponde à distribuição das regiões modificadas. Regiões modificadas em forma de fio foram fabricadas por meio de iluminação a laser com varredura do foco do laser, e o diâmetro e a condutividade elétrica correspondentes foram investigados controlando a distância de movimento do foco do laser por pulso (Vf). As regiões modificadas fabricadas com Vf variável foram divididas em três categorias dependendo da tendência da relação entre o diâmetro e a condutividade elétrica. Os diâmetros das regiões modificadas foram constantes nos valores máximos quando Vf era suficientemente pequeno, diminuíram com o aumento de Vf e atingiram um mínimo quando Vf era suficientemente grande. As regiões modificadas se tornaram mais condutoras elétricas com o aumento de Vf, mesmo quando a energia depositada por unidade de comprimento diminuiu. Além disso, a condutividade elétrica diminuiu significativamente quando o diâmetro se tornou constante no valor mínimo. Finalmente, a relação entre o diâmetro/condutividade elétrica das regiões modificadas e a distribuição da fluência do laser foi elucidada.

Os diamantes possuem propriedades superiores para uso em muitas aplicações, como grãos abrasivos e ferramentas de corte (utilizando a dureza dos diamantes)1, bem como em dispositivos de informação quântica como sensores para rotação de elétrons (utilizando o centro de vacância de nitrogênio criado dentro de um diamante) 2. Devido às suas altas condutividades térmicas e rigidez dielétrica, espera-se que os diamantes sejam usados ​​como semicondutores em dispositivos de alta potência. Muitos estudos têm sido realizados em semicondutores de diamante, incluindo o desenvolvimento de um método de síntese de diamante em larga escala baseado na deposição química de vapor3,4,5.

Foi relatado que o uso de um laser de pulso ultracurto focalizado pode modificar localmente o interior de um diamante por meio da absorção multifotônica6,7. Essa região modificada cresce em direção à fonte do laser e uma região modificada em forma de fio é então formada por meio de varredura com foco a laser8,9. A região modificada constitui carbono amorfo (aC) e é eletricamente condutiva10,11. Essa grafitização dentro dos diamantes foi confirmada por meio de observações da seção transversal da região modificada em forma de fio via espectroscopia Raman e espectroscopia de perda de energia de elétrons12,13,14. A iluminação a laser de picossegundos (ps) dentro de um diamante grafitiza o diamante com eficiência em comparação com a iluminação a laser de femtossegundos15. A forma das regiões modificadas pode ser controlada para formar estruturas tridimensionais variando a direção do foco do laser16,17. Espera-se que as regiões modificadas internamente dos diamantes sejam usadas em aplicações de dispositivos elétricos de alta potência, cristais fotônicos e fotodiodos, entre outros.

Kononenko e Ashikkalieva desenvolveram um modelo de mecanismo de modificação para dentro de um diamante medindo a taxa de crescimento da região modificada7,18. Além disso, as formas, como diâmetro e comprimento, e a condutividade elétrica das regiões modificadas foram controladas pela variação dos parâmetros do laser10,11. No entanto, a relação detalhada entre o diâmetro/condutividade elétrica das regiões modificadas e os parâmetros do laser não foi estudada. A fabricação de regiões modificadas de alta razão de aspecto e eletricamente condutoras é essencial para a fabricação de pequenas aplicações integradas adequadas para o desenvolvimento de dispositivos elétricos. Além disso, a fabricação da região modificada usando varredura a laser de alta velocidade é preferível para a fabricação eficiente de dispositivos elétricos.