Möjligheten att etsa nanostrukturer på diamantytan förväntas ha en mängd olika möjliga tillämpningar, men hittills har etsning och mönstrande diamant på nanoskala varit utmanande, eftersom diamant är mycket kemiskt inert (oreaktivt). I en ny studie, forskare har undersökt en teknik där en elektronstråle används för nanopatring av diamanter, med resultaten som ger ny inblick i nya nanofabrikationsprocesser.

Forskarna, James Bishop et al., vid University of Technology Sydney i Sydney, Australien, har publicerat ett papper om nanopattering och etsning av diamant i ett nyligen utgåva av ACS Nano .

I deras arbete, forskarna undersökte en teknik som kallas gasmedierad elektronstråleinducerad etsning. Metoden kräver ingen mask eller resistskikt och använder elektronstrålbestrålning i närvaro av reaktiva gaser för att direkt etsa diamant och andra material med en rumslig upplösning så hög som 10 nanometer. Det undviker också problem med kvarvarande skador i samband med fysiska etsningstekniker, såsom fokuserad jonstråle eller reaktiv jonetsning, möjliggör etsning med minimal skada på det underliggande materialet.

Än så länge, mest arbete med denna metod har visat etsning som verkar enhetlig, eller isotrop. Dock, för att skapa önskade mönster eller selektivt exponera vissa kristallplan, det blir nödvändigt att etsa selektivt i olika riktningar, som kallas anisotrop etsning.

Med hjälp av en kombination av experimentella och beräkningstekniker, forskarna fann att syre och vätgaser spelar olika roller i etsningsprocessen. Särskilt, syre orsakar snabb, effektiv och isotrop etsning, medan tillsatsen av väte bromsar etsningshastigheten för vissa kristallplan mer än andra, möjliggör anisotrop etsning. Anisotropisk etsning har länge använts med andra material som kisel och galliumnitrid för att skapa mikro/nanostrukturer med nästan perfekt symmetri och ultramjuka kristallplan. Detta nya arbete belyser en metod för att potentiellt uppnå liknande resultat med diamant.

Forskarna fann att, när mer vätgas tillförs systemet, mönster framträder vars drag är i linje med diamantgitterets kristallriktningar. Forskarna förklarar att dessa mönster orsakas av vätgas förmånliga passivering av vissa kristallplan framför andra. Forskarna visade också att det är möjligt att kontrollera anisotropin genom att kontrollera mängden väte, och följaktligen, att manipulera ytmönstrenas geometrier. Detta gjorde det möjligt för forskarna att skapa en detaljerad modell av etskinetiken, vilket bör förenkla framtida torretsning av nanofabrikationsprocesser för diamant och möjliggöra tillverkning av tidigare ohållbara strukturer.

"Det viktigaste resultatet av arbetet är kontrollen över etsanisotropi som det möjliggör, "Biskop berättade för Phys.org." Isotopisk etsning är användbar för etsning av godtyckligt formade strukturer. Anisotropisk etsning är användbar för att skapa strukturer med extremt släta ytor och nästan perfekta symmetrier definierade av kinetiken för den anisotropa etsreaktionen. Med elektronstråleinducerad etsning med syre kan vi få isotropisk etsning med hög hastighet, och genom att blanda in väte, uppnå mycket anisotrop etsning av diamant. "

Möjligheten att styra etsa nanopatroner och selektivt exponera och släta ut vissa kristallplan på diamantytan har en mängd olika möjliga tillämpningar. Olika nanopatroner och nanostrukturer kan, till exempel, påskynda neurontillväxt på diamantytor för biosensingapplikationer, samt förbättra ljusextraktion för fotoniska applikationer. Diamond undersöks också för dess möjliga tillämpningar för elektronik med hög effekt, elektrokemi, och katalys, som alla kan dra nytta av en enkel, högupplöst nanopatormetod.

© 2018 Phys.org