Физики научились синтезировать гладкие алмазные плёнки для электроники и оптики

Учёные Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН и МИРЭА нашли способ изготавливать алмазные плёнки с нужной шероховатостью, периодически добавляя азот в плазму при синтезе. Алмаз — самый твёрдый материал на Земле, он прозрачен и отлично проводит тепло, поэтому алмазные плёнки могут служить охладителями для мощной электроники и элементами оптических приборов. Однако высокая шероховатость поверхности ограничивает их применение, вызывая рассеяние света, а полировка из-за твёрдости алмаза трудоёмка и дорога, а для деталей сложной формы иногда вовсе невозможна. Результаты, поддержанные грантом РНФ, опубликованы в журнале Vacuum.

Авторы применили метод микроволнового плазмохимического осаждения: в вакуумную камеру закачали водород и метан, служивший источником углерода, и с помощью микроволнового излучения создали плазму, в которой росли алмазные кристаллы на подложке. Во время синтеза в камеру периодически на пять минут добавляли азот — он запускал образование новых мелких кристаллов и препятствовал формированию больших частиц, после чего подача прекращалась, и кристаллы продолжали расти в обычном режиме. Повторяя цикл, исследователи создали плёнки с разным числом чередующихся мелко- и крупнозернистых слоёв: чем больше было мелкокристаллических слоёв, тем глаже получалась поверхность, а при 100 таких слоях шероховатость уменьшилась в 13 раз.

Как отметил руководитель проекта Артём Мартьянов, учёные не стремились сделать всю плёнку нанокристаллической, поскольку такая структура может снижать теплопроводность и пропускание инфракрасного излучения, — вместо этого они научились управлять размером кристаллов непосредственно во время роста, изменяя частоту коротких добавок азота. Метод позволяет получать толстые алмазные плёнки с более гладкой поверхностью и подбирать их тепловые, электрические и оптические характеристики под конкретные задачи — от теплоотводов для мощной электроники до защитных покрытий и элементов инфракрасной оптики. Технология значительно сокращает необходимость механической полировки, а в некоторых применениях позволяет от неё отказаться, что снижает стоимость производства и расширяет возможности нанесения покрытий на поверхности сложной формы. В дальнейшем авторы планируют получать отдельные микро- и наночастицы для биомедицинской диагностики и оптических сенсоров, а также создавать многослойные структуры с чередующимися слоями алмаза и графита для высокоэффективных фильтров.

Фото: алмазная пленка, полностью отделенная от кремниевой подложки и закрепленная в специальном держателе с отверстием для прохождения света. Источник: Артем Мартьянов / ИОФ РАН.