Российские ученые получили графитизированные слои в алмазе

Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали методику получения в алмазе тончайших графитизированных слоев. Их уникальные свойства в совокупности с технологией фотолитографии по алмазу позволяют использовать алмаз-графитовые структуры в производстве различных элементов электроники и оптоэлектроники.

Кремний, германий, арсенид галлия и т. п. - основа современной электроники. Но они во многом уже исчерпали свои возможности; впереди - освоение новых материалов и технологий. По мнению учёных, в этом смысле весьма перспективен алмаз, идеальный по всем свойствам материал для создания электронных компонентов, способных работать в жестких условиях эксплуатации (высокие температуры и уровни радиации, агрессивные химические среды).

Методика получения алмаз-графитовых структур разработана в ФИАНе научной группой, руководимой доктором физ.-мат. наук Алексеем Гиппиусом. Технология, созданная Романом Хмельницким и Валерием Дравиным, стала одним из прикладных аспектов многолетних исследований микрофизики процесса графитизации алмаза - фазового перехода I рода в твёрдом состоянии.

"Алмаз и графит - простейшие вещества, состоящие из углерода, но с разными кристаллическими решетками и химическими связями между атомами. Поэтому алмаз - твёрдый, графит - мягкий; алмаз - прозрачный, графит - чёрный; алмаз - изолятор, графит - проводник; химически алмаз - исключительно стойкий материал, графит же травится даже слабыми кислотами. Иначе говоря, алмаз и графит - принципиально противоположные по всем свойствам вещества. Вот почему переход алмаз-графит можно считать эталонным фазовым переходом I рода в твердой фазе", - поясняет старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук Роман Хмельницкий.

Однако процесс графитизации алмаза почти никогда не происходит самопроизвольно, для его трансформации в графит нужно преодолеть мощный энергетический барьер. Одним из способов преодоления этого барьера является радиационное повреждение, а самой эффективной технологией считается ионная имплантация.

"Суть этой технологии в том, что ионы с энергией в десятки и сотни килоэлектронвольт выбивают из кристаллической решетки атомы, после чего твёрдое тело для восстановления его кристаллической структуры подвергается высокотемпературному отжигу, - комментирует Роман Хмельницкий. - Однако сильно дефектный алмаз свою структуру при отжиге не восстанавливает, а переходит в состояние, при котором атомы, как в графите, связаны sp²-связями. В результате, в облучённой области создаются тонкие графитизированные слои, окружённые со всех сторон алмазом, и тем самым защищённые как химически, так и механически. Методом ионной имплантации можно создавать в алмазе слои толщиной от нескольких микронов до 10 нм на определённой глубине, а графитизированные слои в алмазе - это проводник в изоляторе, токопроводящая дорожка или электрод".

Основной технологией современной микроэлектроники является фотолитография (метод нанесения на материал "очертаний" будущей микросхемы), однако алмаз и фотослой - из-за низкой адгезии вещи, почти несовместные.

К счастью, сотрудникам ФИАНа вместе со специалистами из НИИ "Пульсар" удалось преодолеть все технологические трудности, создав, по сути, фотолитографию по алмазу, сообщает "Компьюлента".

"Сначала мы напыляем на алмаз металл, но далеко не любой, а только тот, что хорошо контактирует с углеродом. То есть получается фотолитография не по алмазу, а по металлу, который используется в качестве маски. Для ионной имплантации приходится использовать двух- и трёхслойные металлические покрытия", - прокомментировал Роман Хмельницкий.

До недавнего времени алмаз не считался перспективным электронным материалом. Причиной этому была дороговизна природных алмазов, малость доступных образцов и низкое качество материала. Ситуацию переломило создание технологий выращивания синтетических алмазов достойного качества, а также появление перспектив получения алмазных пластин относительно большой площади (сейчас речь идет о 2-дюймовых пластинах). Конкретные методики "обуздания" алмаза в практических целях, вроде той, что описана выше, делают эту кристаллическую модификацию углерода реальным участником электронного рынка.