轻松切割钻石的新型激光技术

一种新开发的技术利用激光脉冲将钻石切成薄片，从而为下一代半导体材料奠定了基础。

就半导体工业而言，金刚石是一种前景广阔的材料，但要将其切成薄片却十分困难。在最近的一项研究中，千叶大学的一个研究小组开发出了一种基于激光的新方法，可以轻松地将钻石切成具有最佳晶体平面的薄片。

他们的研究成果将有助于使钻石成为经济实惠的半导体，用于电动汽车的高效电力转换和高速通信技术。

众所周知，目前硅基材料是半导体领域无可争议的领导者。尽管如此，全球各地的研究人员仍在积极努力，为下一代电子和大功率系统寻找优秀的替代材料。

令人着迷的是，在快速电信、发电厂和电动汽车的电力转换等应用领域，钻石是最有前途的材料之一。

尽管金刚石的特性对半导体工业很有吸引力，但由于缺乏高效地将其切割成薄晶片的方法，金刚石的应用受到了限制。因此，金刚石晶片需要一个一个地合成，从而使大多数行业的制造成本过高。

由千叶大学工程研究生院教授 Hirofumi Hidai 领导的日本研究小组找到了解决这一问题的方法。

在最近的一项研究中，一种基于激光的新型切片方法可用于在最佳晶体学平面上将金刚石整齐地切成片状，从而生成光滑的晶片。

这项研究于 2023 年 5 月 18 日在线发表，并于 2023 年 6 月在《金刚石及相关材料》（Diamond & Related Materials）杂志上进行了报道。

这项研究由千叶大学科学与工程研究生院硕士生坂本浩介（Kosuke Sakamoto）与前博士生德永大次郎（Daijiro Tokunaga，现任东京工业大学助理教授）共同完成。

大多数晶体（如钻石）的性质都会沿着不同的晶面发生变化，这些晶面是包含原子（包括晶体）的虚面。例如，沿着{111}面切割钻石很容易。但切割{100}却很困难，因为它也会与{111}裂面一起产生裂纹，从而增加切口损耗。

为了避免这种不必要的裂纹传播，科学家们提出了一种金刚石加工方法，将短激光脉冲集中到材料内部一个狭窄的锥形体积上。

集中的激光照射会将金刚石转化为密度低于金刚石的无定形碳。因此，被激光脉冲改变的区域密度会降低，并形成裂纹。---千叶大学教授 Hirofumi Hidai

科学家们将这种激光脉冲以正方形网格模式照射到透明的金刚石样品上，在材料内部形成了一个个易产生裂纹的小区域网格。

如果网格中变化区域之间的空间以及每个区域所使用的各种激光脉冲都达到最佳状态，那么所有变化区域都会通过小裂缝相互连接，而这些小裂缝会优先与{100}平面一起传播。

因此，只需用锋利的钨针抵住样品的一侧，就能轻松地将具有{100}面的光滑晶片与样品块的其他部分隔离开来。

总之，建议的方法是使金刚石成为未来技术理想半导体材料的关键一步。

金刚石切片能以低成本生产高质量晶片，是制造金刚石半导体器件不可或缺的材料。因此，这项研究使我们更接近于实现金刚石半导体在社会中的各种应用，例如提高电动汽车和火车的功率转换率。--千叶大学教授 Hirofumi Hidai

参考资料

Sakamoto, K., et al. (2023) Laser slicing of a diamond at the {100} plane using an irradiation sequence that restricts crack propagation along the {111} plane. Diamond and Related Materials. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110045.