피코초 레이저에 의해 유도된 다이아몬드 내부 변형의 전기 전도성과 직경의 펄스당 초점 이동 거리 의존성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17371(2022) 이 기사 인용

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다이아몬드에 대한 초단 펄스 레이저 조명을 통한 내부 및 국부적 수정은 다이아몬드 전자 장치 제조에 유망합니다. 수정된 영역의 직경/전기 전도도와 레이저 플루언스 분포 사이의 관계를 조사했습니다. 레이저 초점을 스캔하지 않고 피코초 레이저 조명을 사용하면 다이아몬드의 짧은 수정 영역을 제작할 수 있습니다. 결과적으로 계산된 레이저 플루언스 분포는 수정된 영역의 분포와 일치합니다. 레이저 조명을 통해 레이저 초점을 스캐닝하여 와이어 모양의 변형 영역을 제작하고, 펄스당 레이저 초점 이동 거리(Vf)를 제어하여 해당 직경과 전기 전도도를 조사했습니다. 다양한 Vf로 제작된 변형된 영역은 직경과 전기 전도도 사이의 관계 추세에 따라 세 가지 범주로 분류되었습니다. 수정된 영역의 직경은 Vf가 충분히 작을 때 최대값에서 일정했고, Vf가 증가함에 따라 감소했으며, Vf가 충분히 클 때 최소값에 도달했습니다. 변형된 영역은 단위 길이당 증착된 에너지가 감소하더라도 Vf가 증가함에 따라 전기 전도성이 더 높아졌습니다. 또한, 직경이 최소값으로 일정해지면 전기 전도도가 크게 감소합니다. 마지막으로, 수정된 영역의 직경/전기 전도도와 레이저 플루언스 분포 사이의 관계가 밝혀졌습니다.

다이아몬드는 연마 입자 및 절단 도구(다이아몬드의 경도를 활용)1뿐만 아니라 전자 스핀용 센서인 양자 정보 장치(다이아몬드 내부에 생성된 질소 공공 센터 활용)와 같은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 우수한 특성을 보유합니다. 2. 높은 열전도율과 유전 강도로 인해 다이아몬드는 고전력 장치의 반도체로 사용될 것으로 예상됩니다. 화학 기상 증착을 기반으로 한 대규모 다이아몬드 합성 방법 개발을 포함하여 다이아몬드 반도체에 대한 많은 연구가 수행되었습니다3,4,5.

집중된 초단 펄스 레이저를 사용하면 다광자 흡수를 통해 다이아몬드 내부를 국부적으로 수정할 수 있다고 보고되었습니다. 이 수정된 영역은 레이저 소스를 향해 성장하고 와이어 모양의 수정된 영역은 레이저 초점 스캐닝을 통해 형성됩니다. 수정된 영역은 비정질 탄소(aC)를 구성하며 전기 전도성입니다. 다이아몬드 내부의 이러한 흑연화는 라만 분광법 및 전자 에너지 손실 분광법을 통해 변형된 와이어 모양 영역의 단면 관찰을 통해 확인되었습니다. 다이아몬드 내부의 피코초(ps) 레이저 조명은 펨토초 레이저 조명15과 비교하여 다이아몬드를 효율적으로 흑연화합니다. 수정된 영역의 모양은 레이저 초점 스캐닝 방향을 변경하여 3차원 구조를 형성하도록 제어할 수 있습니다. 다이아몬드의 내부 변형 영역은 무엇보다도 고전력 전기 장치, 광결정, 포토다이오드 응용 분야에 사용될 것으로 예상됩니다.

Kononenko와 Ashikkalieva는 수정된 영역의 성장 속도를 측정하여 다이아몬드 내부에 대한 수정 메커니즘 모델을 개발했습니다. 또한, 수정된 영역의 직경, 길이, 전기 전도도와 같은 모양은 레이저 매개변수를 변경하여 제어되었습니다. 그러나 수정된 영역의 직경/전기 전도도와 레이저 매개변수 간의 자세한 관계는 연구되지 않았습니다. 높은 종횡비와 전기 전도성 변형 영역을 제작하는 것은 전기 장치 개발에 적합한 소형 통합 애플리케이션을 제조하는 데 필수적입니다. 또한, 전기소자의 효율적인 제조를 위해서는 고속 레이저 스캐닝을 이용하여 변형된 영역을 제작하는 것이 바람직하다.

Vf. In Fig. 6b, the minimum of Vg = Vf and modification also occurs at Fdmax. Here, Vga and Vgb are defined as Vg in Fig. 6a,b, respectively. The relationship between these values is Vgb > Vga; hence, the modified region in Fig. 6b was fabricated closer to the laser focus, that is, a higher laser fluence than that in Fig. 6a. The electrical conductivity in Fig. 6b is higher than that in Fig. 6a because of the higher laser fluence. In conclusion, the diameter of the modified wire-shaped regions is constant at the maximum value, regardless of the value of Vf. In contrast, the electrical conductivity increased with the focus movement distance per pulse of Vf because the modified region with a larger Vf was fabricated under a higher laser fluence./p> Vf > Vg min. The fabricated point was closer to the laser focus, where the value of Vg increased with Vf. The diameter of the modified wire-shaped region decreased depending on the fluence distribution. The electrical conductivity of the wire-shaped modified region increases with a larger Vf because the modified region was fabricated using a high laser fluence, as shown in Fig. 6a,b./p> Vg max. The laser focus did not overlap with the modification formed by the previous pulse and the modified region did not absorb the pulse. The dotted modified region was fabricated intermittently, as shown in Fig. 4e. The diameter of the dotted modified region became constant at a minimum value, regardless of the value of Vf, because it depends on the shape of the fluence distribution of the fabrication threshold at the laser focus. The conductivity decreased significantly because the modification was not connected./p>