Российские ученые открыли новое физическое явление, с помощью которого можно управлять свойствами алмазов. Поворачивая пластинку, через которую проходит луч, они изменяли плоскость колебания света, то есть его поляризацию, и наносили на кристаллы углубления разного размера. Этот простой и недорогой способ позволит создавать новые оптические устройства на основе алмазов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) опубликованы в журнале Applied Surface Science.
Алмаз — это одна из форм углерода, самый твердый материал на планете. Эти камни ценятся не только в ювелирном деле, но еще используются в науке и технике. Так, из алмазов делают хирургические инструменты, сверла, резаки и прочие приспособления для обработки различных материалов, в том числе металлов. Кристаллы алмаза используются в качестве основных компонент квантовых компьютеров, как покрытие для экранов смартфонов, а еще в различных датчиках, например, температуры и газов.
Чтобы создать какое-либо устройство на основе алмаза, ему надо придать определенную трехмерную структуру, а также обработать поверхность. Сейчас на алмазы наносят узоры при помощи лазера с погрешностью до нескольких нанометров, что соответствует требованиям микроэлектроники. Под действием излучения с поверхности материала испаряется его верхний слой, что создает нужный рельеф — этот процесс называется лазерной абляцией. Излучение, которым обрабатывают кристалл, поляризовано, то есть представляет собой электромагнитные волны, колебания которых наблюдаются только в одной определенной плоскости. Это делает свет от лазера не похожим на солнечный, который распространяется во всех направлениях сразу.
Ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) выяснили, как влияет поляризация лазерного пучка на испарение материала с поверхности кристалла алмаза. Для этого образец облучали лазерными импульсами продолжительностью менее миллиардной доли секунды. Поляризацию излучения меняли — его пропускали через специальную пластинку, при повороте которой изменялась плоскость колебания волн. В результате лазерной обработки на поверхности кристалла появились углубления, структуру и размер которых авторы оценивали с помощью электронного микроскопа. Затем по величине получившихся кратеров рассчитывали пороговую энергию абляции — величину, описывающую то, насколько интенсивно алмаз испарялся с поверхности, что важно знать при его обработке.
Оказалось, что пороговая энергия абляции изменялась в зависимости от поляризации лазера. Соответственно, устанавливая пластинку определенным образом, можно управлять процессом испарения алмаза с поверхности. Так, удалось варьировать радиус кратеров приблизительно от 0,5 до 1,4 микрометров, то есть кратеры могли отличаться по размеру почти в три раза.
«Наш способ очень простой и доступный — полуволновая пластинка есть в любой оптической лаборатории. Просто вращая ее, мы можем оптимизировать параметры обработки, а значит, контролировать свойства создаваемых структур на поверхности алмаза. Показанная здесь лазерная абляция, зависящая от поляризации, представляет собой новое физическое явление, имеющее значение для фотохимии, физики поверхности и материаловедения, также это простой метод нано- и микроразмерной обработки алмаза. Подход ускорит разработку алмазных устройств, таких как высокоскоростная электроника и хранилища данных с высокой плотностью. В перспективе мы планируем применить данную технологию для записи двух- и трехмерных структур на поверхности и в объеме кристаллов», — рассказывает Георгий Красин, соавтор исследования, младший научный сотрудник Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.