Tack vare en ny teknik utvecklad vid EPFL, optiska diffraktionsgitter kan nu göras av ren diamant, med sina ytor utjämnade till den allra sista atomen. Dessa nya enheter kan användas för att ändra våglängden hos högeffektslasrar eller i banbrytande spektrografer.

Ett team av EPFL-forskare har utvecklat ett okonventionellt sätt att mikroskopiskt skära diamanter till en viss form och jämna ut dem på atomnivå. Denna nya teknik, som kommer att presenteras vid den internationella konferensen om diamant- och kolmaterial DCM2017 den 5 september, gör det möjligt att tillverka diffraktionsgitter av ren diamant, som har unika egenskaper som är idealiska för både spektroskopi och de optiska komponenterna som används i högeffektslasrar.

Diffraktionsgitter är uppbyggda av parallella spår som bryter upp ljus i dess spektrala komponenter, ungefär som ett prisma. Dessa galler är vanligtvis gjorda av glas och kisel, material som redan har använts i spektrografer och för att ändra färgen som avges av lasrar.

Laget, ledd av Niels Quack, en SNSF-finansierad professor vid Ingenjörshögskolan, har nu hittat ett sätt att göra dessa galler av enkristalldiamant också, öppna fältet för en rad nya möjligheter. Diamanter är oöverträffade när det gäller deras värmeledningsförmåga, som är mellan fem och tio gånger större än för något annat material som används för detta ändamål. Diamanter är också extremt hårda och fungerar bra med UV-strålar, samt infraröda och synliga strålar. "Diamanter är kemiskt inerta, vilket gör att inte ens de mest aggressiva kemiska ämnena kan angripa dem. Men det betyder också att de är mycket svåra att bearbeta, " förklarar Dr. Quack. "Så det här nya sättet att snida diamanter kan visa sig vara mycket användbart."

Använder syre för att skära diamanter

Tekniken som utvecklats av forskarna är banbrytande eftersom den tillåter dem att etsa väldefinierade former till millimeterstora enkristalldiamantplattor, med spåren åtskilda med bara några mikron och med otroligt släta ytor. För att utveckla sin teknik, forskarna använde diamanter som skapats syntetiskt genom kemisk ångavsättning.

Diamanterna etsas i flera steg. Först, en hård mask avsätts och struktureras på ytan av en diamantplatta, som sedan exponeras för en syreplasma. Syrejonerna i plasman accelereras till ytan av diamanten av ett elektriskt fält. Om den inte täcks av den hårda masken, syrejonerna tar bort kolatomer från diamantens yta en efter en. "Genom att justera intensiteten på det elektriska fältet, vi kan ändra formen vi etsar in i diamanten, " förklarar Dr. Quack. "För diffraktionsgittren, vi skär ut triangulära spår som bara är några mikron från varandra. Vi justerar processparametrarna för att selektivt avslöja en uppsättning väldefinierade kristallplan, vilket gör att vi kan skapa V-formade spår som är utjämnade nästan till atomnivå. Det är omöjligt att få den här typen av precision när diamanterna helt enkelt skärs med laser."