Fokusbewegungsentfernung pro Impuls, Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und des Durchmessers der durch einen Pikosekundenlaser induzierten internen Modifikation des Diamanten

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17371 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Interne und lokale Modifikationen von Diamant mittels ultrakurzgepulster Laserbeleuchtung sind vielversprechend für die Herstellung elektronischer Geräte aus Diamant. Der Zusammenhang zwischen Durchmesser/elektrischer Leitfähigkeit modifizierter Bereiche und der Laserfluenzverteilung wurde untersucht. Pikosekunden-Laserbeleuchtung ohne Abtastung des Laserfokus erzeugte kurze modifizierte Bereiche im Diamant. Dadurch stimmt die berechnete Laserfluenzverteilung mit der Verteilung der modifizierten Regionen überein. Drahtförmige modifizierte Bereiche wurden durch Laserbeleuchtung mit Scannen des Laserfokus hergestellt und der entsprechende Durchmesser und die elektrische Leitfähigkeit wurden durch Steuerung der Laserfokus-Bewegungsentfernung pro Puls (Vf) untersucht. Die mit variierendem Vf hergestellten modifizierten Bereiche wurden in Abhängigkeit vom Trend der Beziehung zwischen Durchmesser und elektrischer Leitfähigkeit in drei Kategorien eingeteilt. Die Durchmesser der modifizierten Bereiche blieben bei den Maximalwerten konstant, wenn Vf ausreichend klein war, nahmen mit steigendem Vf ab und erreichten ein Minimum, wenn Vf ausreichend groß war. Die modifizierten Bereiche wurden mit zunehmender Vf elektrisch leitender, selbst wenn die pro Längeneinheit deponierte Energie abnahm. Darüber hinaus nahm die elektrische Leitfähigkeit deutlich ab, wenn der Durchmesser auf dem Minimalwert konstant blieb. Abschließend wurde der Zusammenhang zwischen Durchmesser/elektrischer Leitfähigkeit der modifizierten Bereiche und der Laserfluenzverteilung aufgeklärt.

Diamanten verfügen über hervorragende Eigenschaften für den Einsatz in vielen Anwendungen, beispielsweise als Schleifkörner und Schneidwerkzeuge (unter Ausnutzung der Härte von Diamanten)1 sowie in Quanteninformationsgeräten als Sensoren für Elektronenspins (unter Ausnutzung des im Inneren eines Diamanten erzeugten Stickstoff-Leerstellenzentrums). 2. Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und Spannungsfestigkeit wird erwartet, dass Diamanten als Halbleiter in Hochleistungsgeräten eingesetzt werden. Es wurden viele Studien zu Diamanthalbleitern durchgeführt, einschließlich der Entwicklung einer groß angelegten Methode zur Diamantsynthese auf Basis der chemischen Gasphasenabscheidung3,4,5.

Es wurde berichtet, dass der Einsatz eines fokussierten Ultrakurzpulslasers das Innere eines Diamanten durch Multiphotonenabsorption lokal verändern kann6,7. Dieser modifizierte Bereich wächst in Richtung der Laserquelle, und dann wird durch Laserfokusscannen ein drahtförmiger modifizierter Bereich gebildet8,9. Der modifizierte Bereich besteht aus amorphem Kohlenstoff (aC) und ist elektrisch leitend10,11. Diese Graphitisierung im Inneren der Diamanten wurde durch Beobachtungen des Querschnitts des modifizierten drahtförmigen Bereichs mittels Raman-Spektroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie bestätigt12,13,14. Die Pikosekunden-Laserbeleuchtung (ps) im Inneren eines Diamanten graphitiert den Diamanten effizienter als die Femtosekunden-Laserbeleuchtung15. Die Form der modifizierten Bereiche kann durch Variation der Laserfokus-Abtastrichtung gesteuert werden, um dreidimensionale Strukturen zu bilden16,17. Es wird erwartet, dass die intern modifizierten Bereiche von Diamanten unter anderem in Hochleistungselektrogeräten, photonischen Kristallen und Fotodiodenanwendungen verwendet werden.

Kononenko und Ashikkalieva entwickelten ein Modifikationsmechanismusmodell für das Innere eines Diamanten, indem sie die Wachstumsrate der modifizierten Region maßen7,18. Darüber hinaus wurden die Formen wie Durchmesser und Länge sowie die elektrische Leitfähigkeit der modifizierten Bereiche durch Variation der Laserparameter gesteuert10,11. Der detaillierte Zusammenhang zwischen Durchmesser/elektrischer Leitfähigkeit der modifizierten Bereiche und den Laserparametern wurde jedoch nicht untersucht. Die Herstellung von elektrisch leitfähigen modifizierten Regionen mit hohem Aspektverhältnis ist für die Herstellung kleiner integrierter Anwendungen, die für die Entwicklung elektrischer Geräte geeignet sind, von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus ist die Herstellung des modifizierten Bereichs mittels Hochgeschwindigkeits-Laserscannen für eine effiziente Herstellung elektrischer Geräte vorzuziehen.

In dieser Studie wurde festgestellt, dass ein drahtförmiger modifizierter Bereich, der mit einer höheren Laserscangeschwindigkeit hergestellt wurde, elektrisch leitfähig ist. Interessanterweise deutet dieses Ergebnis darauf hin, dass eine geringere deponierte Energie pro Länge Diamant effizienter in Graphit umwandelt. Der Durchmesser und die elektrische Leitfähigkeit der drahtförmigen modifizierten Bereiche, die mittels Pikosekunden-Laserscanning hergestellt wurden, wurden untersucht. Darüber hinaus wurden die Durchmesser der drahtförmig modifizierten und kurzmodifizierten Bereiche, die ohne Laserfokusabtastung hergestellt wurden, verglichen.

Abbildung 1a–d zeigt mikroskopische Aufnahmen der kurzen modifizierten Bereiche, die mit Laserenergien von 0,5–2,0 μJ hergestellt wurden, ohne den Laserfokus zu scannen. Die kurzen modifizierten Bereiche waren unabhängig von der Laserpulsenergie spindelförmig. Der modifizierte Bereich verlängerte sich entlang der Strahlachse mit zunehmender Laserpulsenergie. Abbildung 1e zeigt eine vergrößerte Ansicht von Abb. 1a. Der geänderte Bereich besteht aus einem schwarzen Bereich in der Mitte des geänderten Bereichs, der durch die gestrichelte rote Linie angezeigt wird, und einem hellen Bereich um den schwarzen Bereich. Der schwarze Bereich stellt einen modifizierten Bereich dar, der aus aC besteht. Im Gegensatz dazu ist der helle Bereich ein Rissbereich, der durch die innere Spannung entsteht, die durch die Volumenausdehnung während der Modifikation entsteht. In dieser Studie wurde der Durchmesser d des modifizierten Bereichs anhand des Durchmessers des schwarzen Bereichs und nicht des in Abb. 1e gezeigten hellen Bereichs definiert.

Mikroaufnahmen kurzer modifizierter Regionen und Beziehung zwischen Durchmesser kurzer modifizierter Regionen und Strahlfluenzverteilung.

Der Startpunkt der Modifikation innerhalb des Diamanten entspricht unabhängig von der Laserenergie dem Brennpunkt, da die Multiphotonenabsorption für die Auslösung der Modifikation unerlässlich ist. Der modifizierte Bereich und die Laserfluenzverteilung wurden unter der Annahme verglichen, dass der Startpunkt der Modifikation der Brennpunkt war. Die Laserfluenzverteilung wurde unter den folgenden Bedingungen berechnet: Die Gaußsche Verteilung der Laserfluenz wurde mit einem M2-Faktor von 1,5, einer numerischen Apertur (NA) von 0,4 und einem Brechungsindex der Diamantprobe von 2,42 berechnet. Die Auswirkungen der Aberrationen wurden ignoriert. Die Fluenzverteilung wurde normalisiert und die maximale Intensität am Brennpunkt wurde auf 1 gesetzt. Abbildung 1f zeigt die Radien der modifizierten Bereiche und die Hälfte der achsensymmetrischen Laserfluenzverteilungen. Der Farbbalken zeigt die normalisierte Intensität an. Die Diagramme zeigen den Radius jedes geänderten Bereichs, wie in Abb. 1a – d dargestellt. Die horizontale Achse „Defokus, z“ in Abb. 1f stellt den Abstand von der Spitze des modifizierten Bereichs dar, wie in Abb. 1e. Die farbigen Linien zeigen die Konturlinien der Herstellungsschwelle für jede Laserpulsenergie an, die mit Gl. berechnet wurde. (1), wie unten beschrieben. Die Formen der modifizierten Bereiche sind gut reproduzierbar. Beispielsweise lagen die Durchmesser- und Längenfehler des kurzen modifizierten Bereichs, der mit der Pulsenergie von 2,0 μJ hergestellt wurde, innerhalb von ± 0,8 bzw. ± 1,5 μm vom Durchschnitt. Diese Werte sind ausreichend klein und die Fehlerbalken für die Form der geänderten Regionen wurden weggelassen. Die Form der veränderten Bereiche entspricht unabhängig von der Pulsenergie den Konturlinien. Der experimentelle maximale Durchmesser dmax und die Länge zmax des modifizierten Bereichs wurden mit 14 bzw. 115 μm gemessen.

Der zum Wachstum des modifizierten Bereichs verwendete Laserfluenzschwellenwert entsprach der Fluenz an der laserquellenseitigen Spitze des modifizierten Bereichs auf der Laserlichtachse. Die Schwellenwerte wurden für Pulsenergien von 0,5–2,0 μJ verglichen. Gleichung (1) bestimmt die Fluenz F, die auf einen Kreis mit Radius r angewendet wird, der auf der optischen Achse an der Defokussierungsposition z zentriert ist, wenn der Radius des Gaußschen Strahls als w(z) definiert ist.

Der Grenzwert von r = 0 an der Spitze der Modifikation gibt den Fluenzschwellenwert für den modifizierten Bereich an. Abbildung 2 zeigt die Herstellungsfluenzschwellen für jede Impulsenergie. Diese Zahl zeigt, dass die Fluenzschwelle unabhängig von der Laserpulsenergie nahezu konstant ist und im Durchschnitt etwa 0,37 J/cm2 beträgt. Dieser Wert stimmt gut mit dem Wert überein, der in einer früheren Studie7 angegeben wurde.

Die Beziehung zwischen Pulsenergie und Fluenzschwelle.

Um die Auswirkungen der Wärmeakkumulation durch Laserbeleuchtung mit hoher Wiederholungsrate (~ 400 kHz)19 aufzuzeigen, wurden drahtförmige modifizierte Bereiche gebildet, indem gleichzeitig die Fokusabtastgeschwindigkeit und die Laserwiederholungsrate von 10–400 kHz sowie die Bewegungsentfernung des Laserfokus geändert wurden pro Impuls wurde Vf in Diamant bei 0,48 μm/Impuls gehalten. Der Wert von Vf wurde als die Scangeschwindigkeit des Tisches (μm/s) dividiert durch die Laserwiederholungsrate (Hz) und multipliziert mit dem Diamantbrechungsindex von 2,42 definiert. Das Experiment wurde unter jeder Bedingung dreimal wiederholt. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse des Durchmessers und der elektrischen Leitfähigkeit des modifizierten Bereichs mit unterschiedlicher Laserwiederholungsrate. Die Leitfähigkeitsdiagramme zeigen die Durchschnittswerte der drei Proben. Der Durchmesser und die durchschnittliche elektrische Leitfähigkeit des drahtförmigen modifizierten Bereichs waren unabhängig von der Laserwiederholungsrate nahezu konstant. Daher wurde der Schluss gezogen, dass kein Wärmestau die Änderung in diesem Bereich der Laserwiederholungsraten beeinflusste. Genauer gesagt wären der Durchmesser und die elektrische Leitfähigkeit der modifizierten Bereiche bei demselben Vf-Wert gleich, selbst für unterschiedliche Kombinationen von Scangeschwindigkeiten und Wiederholungsraten. Daher wurde der Wert von Vf als experimenteller Parameter des drahtförmigen modifizierten Bereichs verwendet, auch bei unterschiedlichen Kombinationen von Wiederholungsraten (10–400 kHz) und Scangeschwindigkeiten.

Die Beziehung zwischen der Pulswiederholungsrate und dem Durchmesser und der Leitfähigkeit des drahtförmigen modifizierten Bereichs bei verschiedenen Fokusabtastraten.

Abbildung 4 zeigt Mikroaufnahmen des typischen drahtförmigen modifizierten Bereichs, der durch Vf = (a) 0,16, (b) 4,84 und (c) 19,36 μm/Impuls gebildet wird. Die Laserpulsenergie wurde auf 2,0 μJ eingestellt. Abbildung 4d, e zeigen vergrößerte Ansichten von Abb. 4b bzw. c. Da die Durchmesser des modifizierten Bereichs an der laserbeleuchteten Oberfläche und der gegenüberliegenden Seitenoberfläche unterschiedlich waren, wurde der Durchmesser anhand der Durchschnittswerte berechnet, die bei 20 % und 80 % der gesamten Länge des Drahtes von der laserbeleuchteten Oberfläche gemessen wurden. geformter modifizierter Bereich, wie durch die gestrichelten Linien in Abb. 4a angezeigt. Der Durchmesser des modifizierten Bereichs nimmt mit zunehmendem Vf ab. Die Laserbeleuchtung erzeugte ständig den gepunkteten modifizierten Bereich, wie in Abb. 4e dargestellt. Der Abstand zwischen den gepunkteten modifizierten Bereichen beträgt ungefähr 19,67 μm, was dem Wert von Vf = 19,36 μm/Impuls entspricht.

Mikroaufnahmen typischer drahtförmiger modifizierter Regionen, die durch unterschiedliche Vf hergestellt wurden: (a) 0,16 μm/Impuls, (b) 4,84 μm/Impuls und (c) 19,36 μm/Impuls. (d) und (e) sind vergrößerte Ansichten von (b) bzw. (c).

Abbildung 5 zeigt den Einfluss von Vf auf den Durchmesser d, die elektrische Leitfähigkeit σ und den Widerstand R des drahtförmigen modifizierten Bereichs. Die Formen der Legenden geben den konstanten Parameter, die Wiederholungsrate und die Scangeschwindigkeit an, wenn Vf variiert wurde. Die Auswirkung der Laserparameter auf den Widerstand zu diskutieren ist eine Herausforderung, da der Widerstand vom Durchmesser abhängt. Daher wurde die elektrische Leitfähigkeit anhand des Durchmessers und des Widerstands berechnet und die Beziehung zwischen Leitfähigkeit und Durchmesser für die folgende Diskussion verwendet. Das Diagramm kann in drei Bereiche eingeteilt werden (Bereiche 1–3, oben in Abb. 5 dargestellt), abhängig von der Beziehung zwischen Durchmesser und Leitfähigkeit der modifizierten Bereiche.

Zusammenhang zwischen Vf und Durchmesser/Leitfähigkeit/Widerstand drahtförmiger modifizierter Bereiche.

Der Durchmesser war in Bereich 1 konstant bei einem Maximalwert von etwa 15 μm. Der Durchmesser entsprach dem maximalen Durchmesser des kurzen modifizierten Bereichs, der unter derselben Laserenergie hergestellt wurde (für den Fall, dass der Fokus nicht gescannt wurde). Der Durchmesser nahm mit steigendem Vf im Bereich 2 monoton ab und blieb im Bereich 3 konstant beim Minimalwert von 6 μm. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Laserfluenzverteilung die Form des drahtförmigen modifizierten Bereichs auf die gleiche Weise bestimmt wie die von die kurze modifizierte Region.

Abbildung 5 zeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit mit dem Wert von Vf in den Bereichen 1 und 2 zunimmt und in Bereich 3 deutlich abnimmt. Die elektrische Leitfähigkeit des drahtförmigen modifizierten Bereichs nimmt mit längerem Vf zu, trotz des nahezu konstanten Durchmessers in Bereich 1. Die Modifizierte Regionen umfassen die sp2- und sp3-Bindungen (aC). Eine höhere Laserfluenzbeleuchtung wandelt mehr sp2-Bindungen aus sp3-gebundenem Diamant um.

Kononenko et al. berechneten die Wachstumslänge des modifizierten Bereichs pro Laserpuls (Vg), indem sie die Modifikation jedes Laserpulses in situ beobachteten. Die Studie zeigte, dass Vg mit der Laserfluenz zunimmt14, das heißt, Vg hängt von der Position ab und hat einen Maximalwert im Laserfokus, und das Minimum an der roten Linie ist in Abb. 1b dargestellt, wenn die Energie 2 µJ betrug. In dieser Studie wurde der Wert von Vf als experimenteller Parameter für den drahtförmigen modifizierten Bereich verwendet. Die fabrizierte Region war zusammenhängend und nahezu einheitlich; Daher waren die Werte von Vf und Vg in den Bereichen 1 und 2 im Gleichgewicht. Der Herstellungspunkt rückte mit zunehmendem Vf näher an den Laserfokus, wo der Wert von Vg zunahm. Abbildung 6 zeigt schematisch das Wachstum des drahtförmigen modifizierten Bereichs in jedem Bereich. Die Formen der modifizierten Bereiche hingen von der Fluenzverteilung der Herstellungsschwelle ab, wie in Abb. 1f dargestellt. Abbildung 6 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Laserfluenzverteilung und den modifizierten Regionen. Der gestrichelte Pfeil zeigt den maximalen Durchmesser an, bei dem die Fluenz höher als der Herstellungsschwellenwert war. Da Konnonenko berichtete, dass der Wert von Vg vom hergestellten Punkt auf dem Laserstrahl abhängt, sollte Vg der Maximalwert auf der Laserlichtachse sein, Vg max. Darüber hinaus sollte es sich um den Minimalwert am Rand des Lasers, Vg min, handeln, wie durch das blaue Quadrat in Abb. 6a angezeigt.

Schematische Darstellungen des Herstellungsprozesses eines drahtförmigen modifizierten Bereichs, der in jedem in Abb. 5 gezeigten Bereich hergestellt wird.

Abbildung 6a,b veranschaulichen den Änderungsprozess in Bereich 1 bzw. die Grenze zwischen den Bereichen 1 und 2. Wenn Vf klein war, befand sich der Laserfokus innerhalb des durch den vorherigen Puls erzeugten modifizierten Bereichs. Laserlicht wurde von der Spitze des modifizierten Bereichs, also der Defokussierungsposition, absorbiert, da die modifizierten Bereiche schwarz sind und Licht effizient absorbieren. Im Fall von Abb. 6a erfolgt die Fertigung aufgrund des Minimums von Vg > Vf auch konstant bei Fdmax. In Abb. 6b liegt das Minimum von Vg = Vf und die Modifikation tritt auch bei Fdmax auf. Hier sind Vga und Vgb in Abb. 6a bzw. b als Vg definiert. Die Beziehung zwischen diesen Werten ist Vgb > Vga; Daher wurde der modifizierte Bereich in Abb. 6b näher am Laserfokus hergestellt, dh mit einer höheren Laserfluenz als der in Abb. 6a. Die elektrische Leitfähigkeit in Abb. 6b ist aufgrund der höheren Laserfluenz höher als in Abb. 6a. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Durchmesser der modifizierten drahtförmigen Bereiche unabhängig vom Wert von Vf konstant auf dem Maximalwert bleibt. Im Gegensatz dazu nahm die elektrische Leitfähigkeit mit der Entfernung der Fokusbewegung pro Vf-Impuls zu, da der modifizierte Bereich mit einem größeren Vf unter einer höheren Laserfluenz hergestellt wurde.

Der modifizierte Bereich wurde aufgrund der folgenden Bedingungen nicht bei Fdmax in Bereich 2 hergestellt, wie in Abb. 6c gezeigt: Vg max > Vf > Vg min. Der hergestellte Punkt lag näher am Laserfokus, wo der Wert von Vg mit Vf zunahm. Der Durchmesser des modifizierten drahtförmigen Bereichs verringerte sich abhängig von der Fluenzverteilung. Die elektrische Leitfähigkeit des drahtförmigen modifizierten Bereichs steigt mit einem größeren Vf, da der modifizierte Bereich unter Verwendung einer hohen Laserfluenz hergestellt wurde, wie in Abb. 6a, b dargestellt.

Der Änderungsprozess in diesem Bereich ist in Abb. 6d unter der Bedingung Vf > Vg max dargestellt. Der Laserfokus überlappte nicht mit der durch den vorherigen Puls gebildeten Modifikation und der modifizierte Bereich absorbierte den Puls nicht. Der gepunktete modifizierte Bereich wurde intermittierend hergestellt, wie in Abb. 4e dargestellt. Der Durchmesser des gepunkteten modifizierten Bereichs wurde unabhängig vom Wert von Vf konstant auf einem Minimalwert, da er von der Form der Fluenzverteilung der Herstellungsschwelle am Laserfokus abhängt. Die Leitfähigkeit nahm deutlich ab, da die Modifikation nicht verbunden war.

Für zukünftige Arbeiten ist eine detaillierte Untersuchung darüber geplant, warum die modifizierten drahtförmigen Bereiche unterschiedliche Leitfähigkeiten aufweisen.

Es wurden intern modifizierte Regionen untersucht, die durch fokussierte Pikosekunden-Laserbeleuchtung im Inneren einkristalliner Diamanten erzeugt wurden. Der Zusammenhang zwischen Durchmesser/elektrischer Leitfähigkeit der modifizierten Bereiche und der Laserfluenzverteilung wurde untersucht. Vf wurde zur Darstellung der Leitfähigkeit verwendet. Infolgedessen nimmt die Leitfähigkeit mit Vf zu, was darauf hindeutet, dass eine höhere Laserfluenz (höherer Vf-Wert) zu mehr sp2-Bindungen aus sp3-gebundenem Diamant führt. Die detaillierten Ergebnisse lauten wie folgt:

Der Durchmesser und die Länge der kurzen modifizierten Bereiche, die mit dem ps-Laser ohne Scannen hergestellt wurden, wurden an die Berechnung der Laser-Fluenzverteilung angepasst.

Der Effekt der Wärmeakkumulation wurde untersucht, indem modifizierte drahtförmige Bereiche mit einem konstanten Vf hergestellt wurden, indem die Laserwiederholungsrate und die Scangeschwindigkeit geändert wurden. Bei Wiederholungsraten von 10–400 kHz hatte die Wiederholungsrate keinen Einfluss auf die Form und Leitfähigkeit des drahtförmigen modifizierten Bereichs.

Die Form und Leitfähigkeit der drahtförmigen modifizierten Bereiche mit verschiedenen Vf-Werten wurden untersucht. Die elektrische Leitfähigkeit des drahtförmigen modifizierten Bereichs nahm mit Vf zu, unabhängig vom konstanten Durchmesser des drahtförmigen modifizierten Bereichs unter Vf = 0,16 μm/Impuls. Der Durchmesser nimmt mit zunehmendem Wert von Vf ab. Wenn Vf größer als 4,84 μm/Impuls war, blieb der Durchmesser des drahtförmigen modifizierten Bereichs aufgrund des intermittierend hergestellten punktuellen modifizierten Bereichs konstant auf einem Minimalwert, wobei die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls deutlich abnahm.

Die Diamantprobe wurde intern mit einem ps-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm, einer Pulsbreite von 11,3 ps, einer maximalen Leistung von 25 μJ, einer Wiederholungsrate von 10–400 kHz und einer Gaußschen räumlichen Form mit M2 < 1,520 modifiziert. Der Laserstrahl wurde mit einer Objektivlinse (M-PLAN NIR 20×; Mitutoyo, Kanagawa, Japan) mit einer NA von 0,4 fokussiert. Abbildung 7 zeigt eine schematische Darstellung der internen Verarbeitung von Diamant. Eine Hochdruck-Hochtemperatur-Diamantprobe (SUMICRYSTAL UP282512, 3 mm × 3 mm × 1 mm, bestehend aus (100)-Ebenen; Sumitomo Electric Industries, Ltd., Osaka, Japan) wurde mit doppelseitigem Klebeband auf a befestigt Fünf-Achsen-Bühne. Alle Oberflächen der Proben wurden hochglanzpoliert. Der Tisch scannte einen fokussierten Laserpunkt innerhalb des Diamanten. Der in Abb. 7 gezeigte Wert von Vf wurde als Bewegungsentfernung des fokussierten Laserpunkts pro Laserimpuls im Inneren des Diamanten definiert; Die Scangeschwindigkeit des Tisches (μm/s) wurde durch die Laserwiederholungsrate (Hz) dividiert und mit 2,42 multipliziert, um den Brechungsindex des Diamanten zu berücksichtigen.

Schematische Darstellung der Versuchsapparatur.

In dieser Studie wurden zwei Arten von Experimenten durchgeführt: Bestrahlung mit und ohne Laserfokus-Scanning. Im Experiment ohne Scannen lag der Laserfokus bei 700 μm auf der Vorderfläche der Probe. Die Probe wurde mit einem Laser beleuchtet, bis das Wachstum des modifizierten Bereichs aufhörte. Die Laserwiederholungsrate wurde auf 100 kHz eingestellt und die Laserpulsenergie wurde auf 0,5–2,0 μJ/Puls geändert. Die Länge und der Durchmesser dieser modifizierten Bereiche wurden mit dem Querschnitt entlang der optischen Achse der berechneten Laserfluenzverteilung verglichen.

Im Scanexperiment wurde der Fokus entlang der Laserstrahlachse von der Rückseite zur Vorderseite der Probe gescannt, um einen modifizierten drahtförmigen Bereich zu erzeugen. Die Laserpulsenergie wurde auf 2,0 μJ eingestellt. Der Wert von Vf wurde durch Ändern der Fokusabtastgeschwindigkeit und der Laserwiederholungsrate eingestellt. Abbildung 8 zeigt die Methode zur Messung des Widerstands des modifizierten drahtförmigen Bereichs. Die vordere Oberfläche in der Nähe des modifizierten Bereichs wurde durch Nanosekunden-Laserimpulse graphitiert, da es schwierig war, die Position der Sondenspitze so anzupassen, dass sie einen freiliegenden Bereich von Dutzenden von Mikrometern berührt. Der modifizierte Bereich wurde mit dem abgetragenen Bereich verbunden und zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit des abgetragenen Bereichs verwendet. Der spezifische Widerstand des abgetragenen Bereichs betrug ~ 200 Ω. Im Vergleich zum modifizierten Bereich, der in der Größenordnung von Tausenden von Ohm lag, war der Wert so klein, dass er ignoriert werden konnte. Die Rückseite wurde mit einer Kupferplatte unter Verwendung einer Ag-Paste (Dotite, Die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem abgetragenen Bereich und der Kupferplatte wurde mit einem Multimeter gemessen.

Schematische Darstellung einer Probenleitfähigkeitsmessung.

Alle relevanten Daten sind auf Anfrage bei HH erhältlich

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Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) Nr. JPNP14029, der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Nr. JP17K18820, 18H03749, JP16H06507, JP18H03884, JP22K18981 und JP22H05138 CREST-Programm Nr. JPMJCR1903, A-STEP-Programm Nr. JPMJTM20LE und SPRING-Programm Nr. JPMJSP2109 der Japan Science and Technology Agency (JST) sowie die Machine Tool Engineering Foundation. Wir danken auch Editage (www. editage.jp) für die englischsprachige Bearbeitung.

Fakultät für Maschinenbau, Chiba, Japan

Daijiro Tokunaga, Masataka Sato, Sho Itoh, Hirofumi Hidai und Souta Matsusaka

Forschungszentrum für molekulare Chiralität, Universität Chiba, Chiba, Japan

Hirofumi Hidai und Takashige Omatsu

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DT und MS führten das Experiment durch. DT verfasste das Manuskript mit Unterstützung von SI, HH und SM, DT und MS führten die analytischen Berechnungen durch. DT und MS konstruieren die von TO unterstützte Versuchsapparatur. Alle Autoren haben zur endgültigen Version des Manuskripts beigetragen. HH betreute das Projekt.

Korrespondenz mit Hirofumi Hidai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tokunaga, D., Sato, M., Itoh, S. et al. Fokusbewegungsentfernung pro Impuls, Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und des Durchmessers der durch einen Pikosekundenlaser induzierten internen Modifikation des Diamanten. Sci Rep 12, 17371 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21432-9

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Eingegangen: 17. Mai 2022

Angenommen: 27. September 2022

Veröffentlicht: 31. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21432-9

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