La tecnica di modellazione del diamante potrebbe trasformare la fotonica

Una delle tecnologie abilitanti del nostro tempo è la fotolitografia, il processo che crea modelli sulla superficie di materiali come silicio, biossido di silicio e altri componenti di dispositivi microelettronici.

È difficile sopravvalutare l'importanza di questa tecnica. Quasi tutti i microchip sono realizzati utilizzandolo quindi i frutti di questa invenzione permeano il nostro mondo.

Ora gli scienziati informatici hanno iniziato a guardare oltre il silicio per la prossima generazione di chip e quelli oltre. E uno dei materiali più interessanti su cui stanno indagando è il diamante.

Ma c'è un problema. Realizzare dispositivi con il diamante è un'attività difficile a causa della sua robustezza chimica. La fotolitografia semplicemente non funziona.

Invece, i fisici possono solo intagliare la superficie del diamante utilizzando processi ad alta energia come l'ablazione laser ad alta potenza e il bombardamento ionico. E questi spesso distruggono la superficie e qualsiasi cosa su di essa.

Ciò di cui hanno bisogno è un processo che produca modelli sulla superficie del diamante con la stessa facilità con cui la fotolitografia fa con il silicio.

Oggi, Aiden Martin e compagni della University of Technology di Sydney, in Australia, affermano di aver sviluppato una tale tecnica. Hanno trovato un modo per fabbricare strutture in diamante utilizzando una tecnica a bassa energia che non danneggia la superficie o distrugge le strutture vicine.

La nuova tecnica è relativamente semplice. Si basa sul fatto che le molecole d'acqua tendono ad aderire alla superficie del diamante. Martin e compagni poi rompono le molecole d'acqua con elettroni a bassa energia creando radicali di idrogeno e ossigeno. I radicali dell'ossigeno sono così reattivi che strappano le molecole di carbonio dal cristallo di diamante formando monossido di carbonio.

Il risultato è un processo a bassa energia che rimuove gli atomi di carbonio in modo relativamente delicato. Creare un motivo sulla superficie del diamante è quindi semplicemente una questione di trovare un modo per evitare che le molecole d'acqua aderiscano alla superficie del diamante o di bloccare l'azione degli elettroni in una forma predefinita.

Martin e co dimostrano la loro tecnica utilizzando una maschera di silice posta su una superficie di diamante, che impedisce il passaggio di elettroni a bassa energia. Quindi posizionano il diamante in un'atmosfera di vapore acqueo e quindi scansionano un raggio di elettroni a bassa energia sulla superficie esposta per rimuovere il diamante.

I risultati sono impressionanti. Il team ha creato pilastri di diamante, ha scolpito modelli nelle superfici di diamante e ha persino scritto parole su sfaccettature di nanodiamante ad angolo rispetto al raggio di elettroni.

Che ha molte potenziali applicazioni. L'incisione chimica indotta da elettroni apre la strada a una tecnologia trasformativa per la nanofabbricazione del diamante, affermano Martin e co.

Una delle possibilità più interessanti è nell'informatica quantistica, dove la capacità di manipolare singoli fotoni è cruciale. Con il diamante ciò è possibile grazie a un fenomeno chiamato luminescenza da vacanza di azoto, in cui un atomo di azoto viene sostituito nella struttura del diamante invece di un carbonio.

Poiché l'azoto ha un elettrone in meno nel suo guscio esterno, crea un vuoto nel cristallo. E questo può essere utilizzato per qualsiasi cosa, dalla produzione di fotoni alla rilevazione di campi magnetici o elettrici, il tutto a temperatura ambiente.

Con la nuova tecnica diventa improvvisamente possibile fabbricare tutti i tipi di strutture con centri di vacanza di azoto al loro interno. È il primo passo verso il rendering di geometrie di diamante a cristallo singolo 3D per dispositivi fotonici, di rilevamento e quantistici ad alte prestazioni, affermano Martin e co.

Il team chiama la sua nuova tecnica di incisione indotta da fascio di elettroni o EBIE. Aspettati di saperne molto di più.

Rif: arxiv.org/abs/1403.4067 : Stampa 3D sottrattiva di strutture diamantate otticamente attive

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