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