幾十年來(lái),硅一直是電子產(chǎn)品的主力軍,因?yàn)樗粌H是一種常見(jiàn)的元素,易于加工,而且還具備良好的電子特性。硅的唯一局限性就是高溫會(huì)損壞它,這限制了硅基電子產(chǎn)品的運(yùn)行速度。單晶金剛石是硅的一種可能的替代品。研究人員最近制造了一種單晶金剛石晶片,但普通的表面拋光方法速度很慢,而且對(duì)材料有損害。
最近發(fā)表在《Scientific Reports》上的一項(xiàng)研究中,來(lái)自大阪大學(xué)的研究人員和合作伙伴將單晶金剛石晶圓打磨成近乎原子級(jí)的光滑。這一過(guò)程將有助于幫助金剛石取代電子設(shè)備中的部分硅元件。
金剛石是已知最堅(jiān)硬的物質(zhì),基本上不與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。用同樣堅(jiān)硬的工具對(duì)其進(jìn)行拋光會(huì)損壞表面,而傳統(tǒng)的拋光化學(xué)反應(yīng)緩慢。在這項(xiàng)研究中,研究人員實(shí)質(zhì)上是先改造石英玻璃表面,然后用改造后的石英玻璃工具對(duì)金剛石進(jìn)行拋光。
"等離子體輔助拋光是單晶金剛石的理想技術(shù),"主要作者Nian Liu解釋說(shuō)。"等離子體在不破壞晶體結(jié)構(gòu)的前提下,激活鉆石表面的碳原子,從而讓石英玻璃板輕輕磨平表面不規(guī)則的地方。"
拋光前的單晶金剛石,有許多臺(tái)階狀特征,整體呈波浪形,平均均方根粗糙度為0.66微米。拋光后,結(jié)構(gòu)缺陷消失了,表面粗糙度也大大降低,只有0.4納米。
"拋光將表面粗糙度降低到接近原子的光滑度,"主要作者Kazuya Yamamura說(shuō)。"表面沒(méi)有劃痕,就像機(jī)械平滑方法中看到的那樣。"
此外,研究人員還證實(shí),拋光后的表面沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化。例如,他們沒(méi)有檢測(cè)到石墨,因此,沒(méi)有損壞的碳。唯一檢測(cè)到的雜質(zhì)是來(lái)自原始晶圓制備的極少量氮?dú)狻?br/> "使用拉曼光譜,晶片中金剛石線(xiàn)的半峰全寬是相同的,并且峰的位置幾乎是相同的。"Liu說(shuō),"其他拋光技術(shù)與純金剛石有明顯偏差。"
通過(guò)這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā),現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)基于單晶金剛石的高性能功率器件和散熱器。這種技術(shù)將大大降低未來(lái)電子設(shè)備的功耗和碳投入,提高性能。
論文標(biāo)題為《Damage-free highly efficient plasma-assisted polishing of a 20-mm square large mosaic single-crystal diamond substrate》。