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脉冲激光束照射石墨层制备纳米金刚石薄膜

2014-11-12 09:20
雷本祖
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  研究人员在提升金属强度的实验过程中有了意外收获,他们利用脉冲激光束照射在石墨层,制备出了纳米金刚石薄膜(nanodiamond films)并实现了光刻烧蚀。该技术在生物传感器乃至计算机芯片领域具有广阔的应用潜力。



    上图描绘了一项新技术的工作原理,利用脉冲激光束将石墨合成纳米金刚石薄膜并在石墨上进行光刻,该技术有望应用于传感器及计算机芯片领域。(图片来源:普渡大学,Gary Cheng)

    研究人员在提升金属强度的实验过程中有了意外收获,他们利用脉冲激光束照射在石墨层,制备出了纳米金刚石薄膜(nanodiamond films)并实现了光刻烧蚀。该技术在生物传感器乃至计算机芯片领域有巨大的应用潜力。

   “过去我们制备人造金刚石需要高温高压环境,而新技术最大的优势,就是可以选择性地将纳米金刚石微粒沉积在刚性表面,无需苛刻的环境条件。”美国普渡大学(Purdue University)工业工程副教授Gary Cheng说,“因为我们是在室温下做这个实验,因而降低了制备金刚石的成本。除此之外,我们还可以将设计好的图案直接“刻写”在纳米金刚石膜上。”

    这种金刚石薄膜光刻技术具有选择性,有望应用于生物传感器、量子计算、燃料电池和新一代计算机芯片等领域。

    该技术利用了多层薄膜结构,包括一个在玻璃盖板覆盖下的石墨层。当紫外脉冲激光照射在该材料上,石墨层瞬间被电离形成等离子体,并产生一个向下的压力。之后,石墨等离子体迅速固化成为金刚石。最上层的玻璃盖板限制了等离子体的逃逸,使其形成了纳米金刚石膜。

    Cheng认为,“这些都是由超小的金刚石微粒和高强度的镀膜层组成的,因而可以适用于高温传感器。”

    该研究成果发表在《自然》的在线期刊《科学报告》(Scientific Reports)上。该论文作者包括前普渡大学博士生Yuefeng Wang,Yingling Yang,Ji Li和Martin Y. Zhang,博士后研究助理Jiayi Shao,博士生Qiong Nian和Liang Tang,以及Gary Cheng。

    该发现源于研究人员进行的一项实验,当时他们正研究如何利用石墨薄层和纳秒脉冲激光(nanosecond-pulsing laser)来提升金属强度。一名博士生意外发现,激光可以令石墨消失或呈现半透明现象。

    “黑色的石墨层不见了,但是它去哪了呢?”Cheng说到。

    随后的研究表明,石墨变成了金刚石。普渡大学研究人员将该过程命名为限制型脉冲激光沉积(confined pulse laser deposition,CPLD)。

    为了证实该结构确为金刚石,研究小组利用了一系列技术手段,包括透射电子显微镜,X射线衍射分析和电阻测量技术。

    Cheng说,该技术已经通过普渡大学技术转化部门申请了美国专利。将该研究商业化还需要更多的后续研究。

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