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Ultrakurze Laserpulse können Diamant entlang einer Kristallebene trennen
Diamant leitet Wärme hervorragend, doch seine extreme Härte erschwert die Herstellung dünner Platten. Ein Experiment zeigt nun, wie sich ein acht mal acht Millimeter großer synthetischer Einkristall mit ultrakurzen Laserpulsen entlang einer gut polierbaren Kristallebene trennen lässt. Das Verfahren könnte größere Diamantsubstrate ermöglichen, wurde bislang aber nur an einem einzigen solchen Kristall erprobt.
Chiba (Japan). Für leistungsfähige elektronische Bauteile und optische Komponenten muss Diamant häufig als dünne, möglichst unbeschädigte Scheibe vorliegen. Gerade die Härte, die den Kristall als Werkstoff so interessant macht, erschwert jedoch das Sägen und die anschließende Bearbeitung. Außerdem kommt es darauf an, welche Ebene des Kristallgitters an der Oberfläche freigelegt wird.
Ultrakurze Laserpulse bieten einen anderen Weg, weil sich ihre Energie in einem kleinen Bereich im Inneren des transparenten Materials bündeln lässt. Dort erzeugen sie mikroskopische Veränderungen und mechanische Spannungen, aus denen sich Risse zwischen benachbarten Stellen entwickeln können. Ob solche Risse zuverlässig zusammenwachsen, hängt allerdings von den Eigenschaften des jeweiligen Diamanten und den gewählten Laserpulsen ab.
Forscher der Chiba University (CU) um Prof. Hirofumi Hidai haben deshalb die Wirkung ultrakurzer Laserpulse an drei synthetischen Diamant-Einkristallen verglichen. Eine Probe war unter hohem Druck und hoher Temperatur (HPHT) hergestellt worden, zwei weitere durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Die beiden CVD-Proben waren jeweils acht mal acht Millimeter groß und stammten aus der KENZAN-Diamantproduktion des an der Studie beteiligten Unternehmens Orbray.
Die Proben enthielten unterschiedlich viel Stickstoff, der Fehlerstellen im Kristallgitter beeinflussen kann. Um die entstehenden Veränderungen zu vergleichen, fokussierte das Team Laserpulse mit zwei Mikrojoule Energie und einer Dauer zwischen 233 Femtosekunden und 30 Pikosekunden ins Kristallinnere. An jeder untersuchten Stelle wurden zehn Pulse abgegeben und die anschließend veränderten Bereiche mikroskopisch ausgewertet.
Die Unterschiede fielen deutlich aus: Im HPHT-Kristall waren bei Pulsdauern unter sieben Pikosekunden keine inneren Veränderungen erkennbar. Im ersten CVD-Diamanten traten sie hingegen bereits bei 233 Femtosekunden auf, im zweiten ab 800 Femtosekunden. Die Femtosekundenpulse erzeugten in den CVD-Proben zunächst kleine, räumlich voneinander getrennte Punkte.
Bei Pulsen von ungefähr zehn Pikosekunden oder länger bildeten sich dagegen zunehmend zusammenhängende veränderte Bereiche. Der besonders stickstoffreiche HPHT-Diamant verhielt sich trotzdem anders als die beiden stickstoffärmeren CVD-Proben. Die Stickstoffmenge allein kann die Unterschiede daher nicht erklären, vielmehr könnten auch die jeweilige Entstehungsgeschichte und lokale Defektstrukturen eine Rolle spielen.
Welche Einflussgröße tatsächlich entscheidend ist, bleibt offen, weil jeweils nur ein Exemplar der drei Diamanttypen untersucht wurde. Die Proben unterschieden sich zugleich in Herstellungsweise, Dicke und weiteren Materialeigenschaften. Eine generelle Überlegenheit eines Herstellungsverfahrens lässt sich aus dem Vergleich deshalb nicht ableiten.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde einer der CVD-Diamanten gezielt entlang der kristallografischen {100}-Ebene bearbeitet. Dazu setzte das Team zehn Pikosekunden lange Laserpulse in einem Raster rund 250 Mikrometer unter der Oberfläche ein. Weitere Bestrahlungen jeweils zwischen bereits veränderten Punkten ließen die zunächst getrennten Risse schrittweise zu einem zusammenhängenden Rissnetz wachsen.
Nach mehreren solchen Nachbearbeitungsrunden ließ sich der acht mal acht Millimeter große Einkristall durch leichtes Klopfen mit einer Pinzette trennen. Die entstandenen Flächen liegen entlang der {100}-Ebene, die sich günstiger polieren lässt als die natürliche Spaltebene {111}. Gemessen an der bearbeiteten Fläche ist der