Страница 3 из 5
Напомним, что скорость распространения продольных акустических волн в алмазе составляет ~ 18 км/с, а поперечных ~ 12 км/с. Поэтому даже кратковременное прикосновение работающего инструмента к любой точке поверхности кристалла создает дальнодействующее волновое поле в его объеме. В этом случае необходимо учитывать уникальную конфигурацию поверхности природных кристаллов алмаза. Эта специфика форм диктует условия для создания внутренних волновых деформационных потоков посредством внешнего когерентного воздействия.
Важно заметить, что в этой ситуации накопленная энергия взаимодействующих волн поглощается кристаллической средой не равномерно, а всей порцией, т. е. реализуется квантово-размерный эффект поглощения волновой энергии. При этом за малое время (~10–15 с) уровень волновой энергии в домене может достигать значения 10–13÷10–14 Дж. Очевидно, такие высокоэнергетичные домены являются наиболее вероятными местами разрушения поверхностного слоя кристалла.
Отметим следующее: при таком локальном разрушении поверхностного слоя упругое давление в этих доменах составляет примерно (1,6÷.2,5)·109 Н⋅м–2. Это на порядок меньше величины критического напряжения σс ≅ 2⋅1010 Н⋅м–2, необходимого для возникновения поверхностной трещины по известным моделям Герца и Ауэрбаха, где разрушение кристалла происходит путем образования микросколов. В связи с этим можно предположить, что при определенных условиях управляемого когерентного волнового воздействия на кристалл алмаза материал из его поверхностного слоя будет удаляться преимущественно в форме нанокластеров.
По нашим оценкам, размер этих кластеров находится в диапазоне 3÷350 нм в зависимости от условий волнового возбуждения при формировании поверхности алмаза. Заметим, что изменение поверхностной энергии при удалении кластеров не превышает 10–14 Дж, т. е. имеет место энергетический выигрыш в этом процессе, что является косвенным подтверждением реализации механизма удаления материала в виде нанокластеров.
В морфологических мотивах рельефа реальных поверхностей, обработанных последовательно от уровня их шероховатости 4,43 нм до 0,52 нм в условиях когерентного волнового возбуждения, надежно наблюдаются мелкие детали высотой (15÷3) нм соответственно. В специальных условиях обработки шероховатость может достигать величины ~0,2 нм.
Контроль параметров морфологии шероховатости поверхности алмаза (шероховатость Ra, среднеквадратическая шероховатость Rq, размах высот Rmax) проводился на атомно-силовых микроскопах (ACM) марки Р4 Solver и Р47 Solver фирмы NT MDT (Россия) и рассчитывался по стандарту, заложенному в программном обеспечении микроскопа.
Разработанный нами кинематический принцип независимого двухосевого движения обрабатывающего инструмента является инновационным и открывает новые ранее неизвестные возможлюсти в обработке кристаллов алмаза [12].
Далее мы приведем примеры экспериментальных результатов воздействия на кристаллы алмаза. Эти результаты еще ждут своего детального объяснения и описания. На сегодняшний день этих детальных объяснений пока не существует, а есть только гипотезы и предположения. Но даже простое перечисление полученных результатов нашего воздействия на алмаз заслуживает пристального внимания и нетрадиционных суждений исследователя в попытках их интерпретации.
Глава 2
Поверхность
Применяемые нами условия воздействия зерен абразива инструмента на алмаз, как мы предполагаем, не превышают предела упругой деформации кристалла. Таким образом, используя стандартный по своей сути инструмент, управляя только изменением определенного алгоритма волнового возбуждения (изменением программного обеспечения, задающего параметры для системы управления обработкой алмаза), мы добиваемся характерного многообразия рельефа поверхности в широком диапазоне ее шероховатости.
На рис. 2.1 приведено изображение поверхности алмазной пластины, ориентированной в направлении (111), т. н. твердое направление в кристалле, которая обработана по традиционной технологии огранки алмазов в бриллианты 131.
В мотиве рельефа поверхности обработанного кристалла наблюдаются характерные поверхностные конфигурации, свойственные обработке с реализацией механизма микросколов.
Рис. 2.1. Изображение поверхности алмазной пластины (111), обработанной по стандартной технологии. Ra = 18,2 нм, Rq = 20,2 нм, Rmax = 214,8 нм
Сформированный нашим методом микрорельеф поверхности алмаза (111) приведен на рис. 2.2–2.6, где показано изменение морфологии поверхности при уменьшении величины ее шероховатости (Ra) в зависимости от времени волнового воздействия.
Как видно из приведенных рисунков, обработанная по новому методу воздействия поверхность алмаза обладает своеобразным мотивом рельефа поверхности. Этот мотив продиктован неповторяемостью движения зерен абразива по поверхности алмаза и протекающим в объеме алмаза и на его поверхности взаимодействием волн упругих деформаций. Вся обработанная поверхность представляет собой равномерную волнообразную субстанцию.
Рис. 2.3. Время воздействия 10 мин. Ra = 4,4 нм, Rq = 5,9 нм, Rmax = 53,3 нм
Рис. 2.4. Время воздействия 15 мин. Ra = 1,69 нм, Rq = 2,86 нм, Rmax = 118,6 нм
Рис. 2.5. Время воздействия 20 мин. Ra = 0,9 нм, Rq = 1,7 нм, Rmax = 28,1 нм
При подготовке поверхности пластин алмаза для проведения на них экспериментальных ростовых процессов молекулярно-лучевой эпитаксии пленок кремния были учтены пожелания технологов к формируемой поверхности алмаза. Эти требования относились в основном к разориентации пластины алмаза на ~5° относительно направления (111) и по возможности созданию минимальной шероховатости обработанной поверхности.
Рис. 2.6. Время воздействия 25 мин. Ra = 0,6 нм, Rq = 0,9 нм, Rmax = 11,0 нм
Рис. 2.7. Пластина алмаза (111). Frame: 3,68 ×3,62 мкм2. Ra = 0,39 нм, Rq = 0,5 нм, Rmax = 4,6 нм
На рис. 2.7 и 2.8 приведена характерная шероховатость поверхности пластин алмаза из этой серии.
Подобная величина шероховатости поверхности алмазных пластин позволила успешно провести работы по эпитаксиальному росту монокристаллических пленок кремния на алмазных подложках [13].
Рис. 2.8. Пластина алмаза (111). Frame: 1,0 × 1,0 мкм2. Ra = 0.12 нм, Rq = 0,15 нм, Rmax = 1,12 нм