Si prevede che la capacità di incidere nanostrutture sulla superficie del diamante avrà un'ampia varietà di potenziali applicazioni, ma finora incidere e modellare il diamante su scala nanometrica è stato impegnativo, poiché il diamante è chimicamente inerte (non reattivo). In un nuovo studio, i ricercatori hanno studiato una tecnica in cui un fascio di elettroni viene utilizzato per il diamante nanopatterning, con i risultati che offrono nuove informazioni sui processi di nanofabbricazione emergenti.

I ricercatori, James Bishop et al., presso la University of Technology Sydney di Sydney, Australia, hanno pubblicato un articolo sul nanopatterning e l'incisione del diamante in un recente numero di ACS Nano .

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno studiato una tecnica chiamata incisione indotta da fascio di elettroni mediato da gas. Il metodo non richiede maschere o strati di resist e utilizza l'irradiazione del fascio di elettroni in presenza di gas reattivi per incidere direttamente il diamante e altri materiali con una risoluzione spaziale fino a 10 nanometri. Evita anche i problemi di danni residui associati alle tecniche di incisione fisica come il fascio ionico focalizzato o l'incisione ionica reattiva, consentendo l'incisione con il minimo danno al materiale sottostante.

Finora, la maggior parte del lavoro che utilizza questo metodo ha dimostrato un'incisione che appare uniforme, o isotropo. Però, al fine di creare modelli desiderati o esporre selettivamente determinati piani di cristallo, diventa necessario incidere selettivamente in diversi orientamenti, che prende il nome di attacco anisotropo.

Utilizzando una combinazione di tecniche sperimentali e computazionali, i ricercatori hanno scoperto che i gas ossigeno e idrogeno svolgono ruoli diversi nel processo di incisione. In particolare, l'ossigeno provoca una rapida, attacco efficiente e isotropo, mentre l'aggiunta di idrogeno rallenta la velocità di attacco di alcuni piani cristallini più di altri, consentendo un attacco anisotropo. L'incisione anisotropica è stata a lungo utilizzata con altri materiali come silicio e nitruro di gallio per creare micro/nanostrutture con simmetria quasi perfetta e piani cristallini ultra lisci. Questo nuovo lavoro mette in evidenza un metodo per ottenere potenzialmente risultati simili con il diamante.

I ricercatori hanno scoperto che, man mano che più idrogeno viene aggiunto al sistema, emergono modelli le cui caratteristiche sono allineate con le direzioni cristalline del reticolo del diamante. Gli scienziati spiegano che questi modelli sono causati dalla passivazione preferenziale dell'idrogeno di alcuni piani cristallini rispetto ad altri. I ricercatori hanno anche dimostrato che è possibile controllare l'anisotropia controllando la quantità di idrogeno, E conseguentemente, manipolare le geometrie dei modelli di superficie. Ciò ha permesso ai ricercatori di creare un modello dettagliato della cinetica dell'incisione, che dovrebbe semplificare i futuri processi di nanofabbricazione di incisione a secco per il diamante e consentire la fabbricazione di strutture precedentemente insostenibili.

"Il risultato più significativo del lavoro è il controllo sull'incisione anisotropia che consente, " Bishop ha detto a Phys.org. "L'incisione isotopica è utile per incidere strutture di forma arbitraria. L'incisione anisotropica è utile per creare strutture con superfici ultra-lisce e simmetrie quasi perfette definite dalla cinetica della reazione di incisione anisotropa. Con l'incisione indotta da fascio di elettroni utilizzando ossigeno possiamo ottenere un'incisione isotropica ad alta velocità, e mescolando in idrogeno, ottenere un'incisione altamente anisotropa del diamante."

La capacità di incidere in modo controllabile nanomodelli ed esporre selettivamente e levigare determinati piani di cristallo sulla superficie del diamante ha un'ampia varietà di potenziali applicazioni. Diversi nanopattern e nanostrutture possono, Per esempio, accelerare la crescita dei neuroni su superfici diamantate per applicazioni di biorilevamento, oltre a migliorare l'estrazione della luce per applicazioni fotoniche. Il diamante è anche oggetto di studio per le sue possibili applicazioni per l'elettronica ad alta potenza, elettrochimica, e catalisi, tutto ciò può beneficiare di un semplice, metodo di nanopatterning ad alta risoluzione.

© 2018 Phys.org