Гладкие алмазные пленки для электроники и оптики синтезировали в Москве

Московские ученые нашли способ изготавливать алмазные пленки с нужной шероховатостью. Для этого они использовали плазму (ионизированный газ), куда периодически добавляли азот. Этот элемент помог уменьшить размер алмазных зерен, из которых состоит пленка, тем самым сделав ее в 13 раз более гладкой.

Благодаря хорошей способности отводить тепло полученные структуры могут использоваться для охлаждения мощной электроники и оптических приборов, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Алмаз — самый твердый из известных природных минералов. Кроме того, он прозрачен и очень хорошо проводит тепло. Благодаря таким свойствам алмазные пленки могут служить отличными охладителями для мощных электронных устройств, а также элементами оптических приборов, чувствительных к перегреву. Однако высокая шероховатость поверхности ограничивает их применение, в частности, вызывая рассеяние света. Чтобы решить эту проблему, материал обычно полируют, но из-за высокой твердости алмаза процесс его обработки трудоемкий и дорогой, а для покрытий на деталях сложной формы иногда вовсе невозможный.

Ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва), Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН (Москва) и МИРЭА — Российского технологического университета (Москва) нашли способ синтезировать толстые алмазные пленки с существенно более гладкой поверхностью и возможностью управлять их тепловыми, электрическими и оптическими свойствами.

Физики применили метод микроволнового плазмохимического осаждения. Это подход, при котором пленку «выращивают» в вакуумной камере, используя газообразные вещества-предшественники. В своей работе исследователи закачали в камеру водород и метан. Последний служил источником углерода для роста алмазной пленки. С помощью микроволнового излучения в камере создали плазму, в которой образовывались активные частицы, обеспечившие рост алмазных кристаллов на подложке.

При этом во время синтеза ученые периодически ненадолго добавляли в камеру еще один газ — азот. Он запускал образование новых мелких кристаллов и препятствовал формированию больших частиц. Каждая такая «инъекция» азота длилась всего пять минут и приводила к осаждению тончайшего слоя нанокристаллического алмаза. Затем подача азота прекращалась, и ранее сформировавшиеся кристаллы продолжали расти в обычном режиме. Следующая добавка азота вновь запускала образование мелких кристаллов, препятствуя укрупнению зерен.

Повторяя этот цикл, исследователи создали пленки с разным числом чередующихся мелко- и крупнозернистых слоев. Это позволило проследить, как структура материала влияет на его свойства.

Эксперимент показал: чем больше было мелкокристаллических слоев, тем более гладкой получалась поверхность материала. Введя 100 таких слоев, авторам удалось добиться уменьшения шероховатости исходной пленки в 13 раз.

«Мы не стремились сделать всю пленку нанокристаллической, поскольку такая структура может снижать теплопроводность и пропускание инфракрасного излучения. Вместо этого мы научились управлять размером кристаллов непосредственно во время роста, изменяя частоту коротких добавок азота в плазму. Это позволяет получать толстые алмазные пленки с существенно более гладкой поверхностью и подбирать их тепловые, электрические и оптические характеристики под конкретные задачи», — пояснил руководитель проекта Артем Мартьянов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН.

Таким образом, предложенный метод позволяет во время выращивания получать алмазные пленки с заданными характеристиками. Такие материалы можно прямо во время синтеза «настраивать» под конкретные объекты применения — от теплоотводов для мощной электроники до защитных покрытий и элементов инфракрасной оптики.

«Разработанная технология позволяет значительно сократить необходимость механической полировки алмазных пленок, а в некоторых применениях — полностью отказаться от нее. В перспективе это может снизить стоимость производства алмазных изделий и расширить возможности нанесения покрытий на поверхности сложной формы, механическая обработка которых практически невозможна. В дальнейшем мы планируем использовать разработанную технологию для получения отдельных микро- и наночастиц, которые могут найти применение в биомедицинской диагностике и оптических сенсорах. Кроме того, мы работаем над созданием нового типа многослойных структур с чередующимися слоями алмаза и графита: удаление графитовых прослоек позволит сформировать систему тончайших алмазных мембран, перспективную для создания высокоэффективных фильтров», —  рассказал Артем Мартьянов.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Vacuum.