RU2661520C2 - Diamond diffraction grating - Google Patents
Diamond diffraction grating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2661520C2 RU2661520C2 RU2016122158A RU2016122158A RU2661520C2 RU 2661520 C2 RU2661520 C2 RU 2661520C2 RU 2016122158 A RU2016122158 A RU 2016122158A RU 2016122158 A RU2016122158 A RU 2016122158A RU 2661520 C2 RU2661520 C2 RU 2661520C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- diffraction grating
- diffraction
- boron ions
- implantation
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 94
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 93
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- -1 boron ions Chemical class 0.000 claims abstract description 21
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 16
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 11
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 241000272186 Falco columbarius Species 0.000 description 1
- LLQPHQFNMLZJMP-UHFFFAOYSA-N Fentrazamide Chemical compound N1=NN(C=2C(=CC=CC=2)Cl)C(=O)N1C(=O)N(CC)C1CCCCC1 LLQPHQFNMLZJMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000000504 luminescence detection Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 1
- 230000002522 swelling effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1847—Manufacturing methods
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике, а именно к устройствам дифракционных решеток, выполненным на основе алмаза [1, 2]. Использование алмаза в оптике связано с его высокой радиационной (лучевой) стойкостью, а также высокой теплопроводностью. Алмазные оптические элементы, обладая окном прозрачности в широком диапазоне длин волн от 0.2 до 5 мкм, могут работать при резких перепадах температуры, в агрессивной химической среде, при этом сохраняя свои характеристики. На практике алмазные дифракционные элементы используются:The invention relates to optics, namely to devices of diffraction gratings made on the basis of diamond [1, 2]. The use of diamond in optics is associated with its high radiation (radiation) resistance, as well as high thermal conductivity. Diamond optical elements, having a transparency window in a wide range of wavelengths from 0.2 to 5 μm, can work with sharp temperature changes in an aggressive chemical environment, while maintaining their characteristics. In practice, diamond diffraction elements are used:
- для преобразования пучков высокомощных лазеров, например, непрерывного СО2-лазера, на котором удается использовать плотности мощности освещающего пучка до 20 кВт/см2, с целью их применения для резки, сварки, закалки и других промышленных технологических операций [1-4];- to convert beams of high-power lasers, for example, a continuous CO 2 laser, which manages to use the power density of the illuminating beam up to 20 kW / cm 2 for the purpose of their application for cutting, welding, hardening and other industrial technological operations [1-4] ;
- для создания фотонно-кристаллических резонаторов с целью реализации квантовых механизмов хранения информации в устройствах интегральной оптики видимого диапазона [5], и др.- to create photonic crystal resonators with the aim of implementing quantum mechanisms for storing information in integrated optical devices of the visible range [5], etc.
Известно устройство, выбранное в качестве аналога, выполненное в виде дифракционной решетки, изготовленное из плоской прозрачной подложки и нанесенной на нее оптически непрозрачной пленки, имеющей кольцеобразную полупрозрачную зону, состоящую из чередующихся концентрических штрихов (патент РФ №2226284, опубликовано 27.03.2004).A device is known, selected as an analogue, made in the form of a diffraction grating, made of a flat transparent substrate and an optically opaque film deposited on it, having an annular translucent zone consisting of alternating concentric strokes (RF patent No. 2226284, published March 27, 2004).
Недостатком аналога является то, что в такой дифракционной решетке имеются, непрозрачные области (непрозрачные пленки), которые, будучи не алмазными, не способны выдерживать мощные световые потоки подобно алмазу, и поэтому будут разрушаться.A disadvantage of the analogue is that in such a diffraction grating there are opaque regions (opaque films) that, being non-diamond, are not able to withstand powerful light fluxes like diamond, and therefore will be destroyed.
Известно [6] устройство, содержащее на поверхности пленки поликристаллического синтетического алмаза двумерные периодические структуры в виде решетки, сформированной импульсным лазерным испарением. При наносекундных воздействиях интерференционного ультрафиолетового излучения эксимерного XeCl лазера на длине волны 308 нм в результате стимулированного испарения на локальных участках поверхности алмазной пленки создаются глубокие повреждения в области непрозрачных включений между отдельными зернами.It is known [6] a device containing on the surface of a film of polycrystalline synthetic diamond two-dimensional periodic structures in the form of a lattice formed by pulsed laser evaporation. Under nanosecond exposure to interference ultraviolet radiation from an excimer XeCl laser at a wavelength of 308 nm, deep damage is created in the region of opaque inclusions between individual grains as a result of stimulated evaporation on local areas of the surface of the diamond film.
Эта периодическая структура, способная выполнять функцию оптической дифракционной решетки, является наиболее близкой к заявляемому техническому решению и поэтому выбрана в качестве прототипа.This periodic structure, capable of performing the function of an optical diffraction grating, is the closest to the claimed technical solution and is therefore selected as a prototype.
Недостатком прототипа является:The disadvantage of the prototype is:
- периодическая структура, выполненная в виде решетки, описанная в прототипе [6], может быть сформирована только на поликристаллическом алмазе, характеризуемом наличием в образце непрозрачных включений между отдельными зернами. Эта технология не пригодна для формирования оптической дифракционной решетки на природном или искусственном монокристаллическом алмазе.- a periodic structure made in the form of a lattice described in the prototype [6] can only be formed on polycrystalline diamond, characterized by the presence of opaque inclusions between individual grains in the sample. This technology is not suitable for forming an optical diffraction grating on natural or artificial single-crystal diamond.
Решаемая техническая задача в заявляемом техническом решении заключается в обеспечении возможности изготовления алмазной дифракционной решетки на монокристаллическом алмазе с возможностью ее использования как для отраженного, так и для проходящего света.The technical problem to be solved in the claimed technical solution is to provide the possibility of manufacturing a diamond diffraction grating on a single-crystal diamond with the possibility of its use for both reflected and transmitted light.
Поставленная задача в предлагаемом техническом решении в алмазной дифракционной решетке для видимого диапазона, содержащей алмазную подложку с внедренной в ее поверхность дифракционной периодической микроструктурой, достигается тем, что элементами дифракционной периодической микроструктуры являются графитизированные области алмаза, подвергнутые ионному облучению ионами бора и характеризуемые другой диэлектрической проницаемостью относительно материала подложки.The problem in the proposed technical solution in the diamond diffraction grating for the visible range, containing a diamond substrate with a diffraction periodic microstructure embedded in its surface, is achieved by the fact that the elements of the diffraction periodic microstructure are graphitized regions of diamond subjected to ion irradiation with boron ions and characterized by a different dielectric constant relative to substrate material.
На фиг. 1 показан чертеж в изометрии фрагмента алмазной дифракционной решетки (изделия), содержащей: 1 - алмазную подложку; 2 - графитизированные ячейки подложки, имплантированные ионами бора; 3 - необлученные перегородки из алмаза между ячейками.In FIG. 1 shows an isometric drawing of a fragment of a diamond diffraction grating (product) containing: 1 - a diamond substrate; 2 - graphitized substrate cells implanted with boron ions; 3 - unirradiated diamond partitions between cells.
На фиг. 2 показано рассчитанное распределение имплантированного бора по глубине в алмазе, при энергии облучения 40 кэВ.In FIG. Figure 2 shows the calculated depth distribution of implanted boron in diamond at an irradiation energy of 40 keV.
На фиг. 3 показано изображение, полученное на оптическом микроскопе фрагмента алмазной дифракционной решетки, сформированной имплантацией алмаза ионами бора через поверхностную маску. Размер ячейки 40 мкм.In FIG. Figure 3 shows an optical microscope image of a fragment of a diamond diffraction grating formed by implanting diamond with boron ions through a surface mask. The cell size is 40 microns.
На фиг. 4 показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), поверхности микроструктурированного алмаза (фрагмента алмазной дифракционной решетки), сформированного имплантацией ионами бора через поверхностную маску. Наблюдения проведены под углом 70 градусов к плоскости образца.In FIG. Figure 4 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of a microstructured diamond (fragment of a diamond diffraction grating) formed by implantation by boron ions through a surface mask. The observations were carried out at an angle of 70 degrees to the plane of the sample.
На фиг. 5 показано 3D-изображение, полученное на оптическом конфокальном микроскопе фрагмента алмазной дифракционной решетки, сформированного имплантацией алмаза ионами бора через поверхностную маску. Зондирование проводилось лазерным излучением на длине волны 488 нм.In FIG. Figure 5 shows a 3D image obtained using an optical confocal microscope of a fragment of a diamond diffraction grating formed by implanting diamond with boron ions through a surface mask. The sounding was carried out by laser radiation at a wavelength of 488 nm.
На фиг. 6 показан Рамановский спектр алмаза, имплантированного ионами бора, измеренный в условиях комнатной температуры при зондировании лазерным излучением на длине волны 522 нм.In FIG. Figure 6 shows the Raman spectrum of diamond implanted with boron ions, measured at room temperature when probed with laser radiation at a wavelength of 522 nm.
На фиг. 7 показано АСМ-изображение поверхности фрагмента алмазной дифракционной решетки, в областях необлученной перегородки алмаза (темная часть рисунка) и имплантированных ячеек (светлые части рисунка). Светлой линией указано направление измерения поперечного сечения.In FIG. Figure 7 shows an AFM image of the surface of a fragment of a diamond diffraction grating in the regions of an unirradiated diamond septum (the dark part of the figure) and implanted cells (light parts of the figure). The light line indicates the direction of measurement of the cross section.
На фиг. 8 показан профиль поперечного сечения фрагмента алмазной дифракционной решетки, измеренный по направлению (светлой линии), приведенному на фиг. 6.In FIG. 8 shows a cross-sectional profile of a fragment of a diamond diffraction grating, measured in the direction (light line) shown in FIG. 6.
На фиг. 9 показано изображение картины дифракционного рассеяния, полученное на экране при отражении зондирующего излучения гелий-неонового лазера на длине волны 632.8 нм света от алмазной дифракционной решетки, сформированной имплантацией ионами бора через поверхностную маску.In FIG. Figure 9 shows the image of the diffraction scattering pattern obtained on the screen when reflecting the probe radiation of a helium-neon laser at a wavelength of 632.8 nm from a diamond diffraction grating formed by implantation by boron ions through a surface mask.
На фиг. 10 показано изображение картины дифракционного рассеяния, полученное на экране при пропускании через образец зондирующего излучения гелий-неонового лазера на длине волны 632.8 нм света через алмазную дифракционную решетку, сформированную имплантацией ионами бора через поверхностную маску.In FIG. Figure 10 shows the image of the diffraction scattering pattern obtained on the screen when a probing radiation of a helium-neon laser was transmitted through a sample at a wavelength of 632.8 nm of light through a diamond diffraction grating formed by boron ion implantation through a surface mask.
Рассмотрим способ изготовления алмазной дифракционной решетки, включающий формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза предлагаемым способом, заключающемся в формировании заданной дифракционной периодической микроструктуры с помощью непрерывной имплантации на ускорителе ИЛУ-3 ионами В+ с энергией Е=40 кэВ, дозой облучения D=1.3⋅1018 ион/см2 в поверхностной области облучаемого алмаза при плотности тока ионного пучка J=3⋅1014 ион/см2⋅с через поверхностную маску - металлическую сетку с размерами ячейки 40 мкм. Размер алмазной дифракционной решетки ограничивается только размером облучаемого образца, и для данного примера составляет примерно 0.5×0.5 см.Consider a method of manufacturing a diamond diffraction grating, including the formation of a predetermined periodic diffraction microstructure on the surface of a polished diamond by the proposed method, which consists in the formation of a predetermined periodic diffraction microstructure using continuous implantation on an ILU-3 accelerator with B + ions with energy E = 40 keV, radiation dose D = 1.3⋅10 18 ion / cm 2 in the surface region of the irradiated diamond at an ion beam current density J = 3⋅10 14 ion / cm 2 ⋅ s through a surface mask - metal mesh with a cell size of 40 microns. The size of the diamond diffraction grating is limited only by the size of the irradiated sample, and for this example is approximately 0.5 × 0.5 cm.
На фиг. 1 показан в изометрии чертеж алмазной дифракционной решетки (изделия) для видимого диапазона, содержащей алмазную полированную подложку 1 с внедренной в ее поверхность дифракционной периодической микроструктурой, элементами которой являются графитизированные области алмаза 2 (ячейки), подвергнутые непрерывному ионному облучению ионами бора и характеризуемые другой диэлектрической проницаемостью относительно материала подложки. Имплантированные ячейки 2 являются графитизированными участками (областями) в алмазе, частично погруженными в приповерхностную область облучаемого алмаза, также частично возвышающимися над его поверхностью. Перегородки 3, находящиеся между ячейками 2, являются необлученными областями алмаза 1.In FIG. Figure 1 shows an isometric drawing of a diamond diffraction grating (product) for the visible range containing a polished
Ионы бора массово используются при имплантации алмаза для решения различных практических задач, таких, например, как создание проводящих слоев в алмазе [7], окрашивание искусственных или природных бриллиантов [8], легирования с целью повышения концентрации электрически активных примесей [9] и т.д. Поэтому для решения технической задачи методом имплантации также были использованы ионы бора.Boron ions are widely used in implantation of diamond to solve various practical problems, such as, for example, creating conductive layers in diamond [7], staining artificial or natural diamonds [8], doping to increase the concentration of electrically active impurities [9], etc. d. Therefore, to solve the technical problem by implantation, boron ions were also used.
Моделирование концентрационных профилей распределения имплантированного бора с энергией 40 кэВ в облучаемом образце с помощью компьютерного алгоритма SRIM-2013 [10] (фиг. 2) показало, что глубина проникновения бора в алмазе составляет порядка 100 нм.Modeling the concentration distribution profiles of the implanted boron with an energy of 40 keV in the irradiated sample using the SRIM-2013 computer algorithm [10] (Fig. 2) showed that the penetration depth of boron in diamond is about 100 nm.
На фиг. 3 приведено изображение фрагмента алмазной дифракционной решетки, сформированной непрерывной имплантацией ионами бора через поверхностную маску, наблюдаемую на оптическом микроскопе ПОЛАР-1 (Микромед). Как видно из приведенного изображения, периодическая микроструктура состоит из чередующихся темных квадратных ячеек, относящихся к имплантированным участкам поверхности образца, разделенным стенками (светлые области) неимплантированного алмаза. Размер имплантированных ячеек соответствует размеру ячеек используемой поверхностной маски 40 мкм.In FIG. Figure 3 shows an image of a fragment of a diamond diffraction grating formed by continuous implantation with boron ions through a surface mask observed with a POLAR-1 optical microscope (Mikromed). As can be seen from the above image, the periodic microstructure consists of alternating dark square cells belonging to the implanted areas of the sample surface, separated by the walls (light areas) of unimplanted diamond. The size of the implanted cells corresponds to the cell size of the used surface mask of 40 μm.
На фиг. 4 приведено изображение алмазной дифракционной решетки, полученной непрерывной имплантацией ионами бора через поверхностную маску, наблюдаемое при наклоне образца на 70 градусов к зондирующему электронному лучу на сканирующем электронном микроскопе Merlin (Carl Zeiss). На изображении отчетливо видны периодически-чередующиеся темные шероховатые участки имплантированного алмаза, заключенные в светло-серую гладкую сетку неимплантированного образца.In FIG. Figure 4 shows the image of a diamond diffraction grating obtained by continuous implantation of boron ions through a surface mask, observed when the sample is tilted by 70 degrees to the probing electron beam using a Merlin scanning electron microscope (Carl Zeiss). The image clearly shows periodically alternating dark rough patches of the implanted diamond enclosed in a light gray smooth mesh of an unimplanted specimen.
Подтверждение формирования алмазной дифракционной решетки при непрерывной имплантации алмаза ионами бора через поверхностную маску следует из наблюдения образца на оптическом конфокальном микроскопе - LSM 780 (Carl Zeiss). В качестве зондирующего сигнала использовалось излучение полупроводникового лазера на длине волны 488 нм, а регистрация оптического изображения образца осуществлялась в спектральной области 508-526 нм через отсекающие фильтры. Воздействие изучения на длине волны 488 нм приводит к возбуждению люминесценции алмаза в видимом диапазоне спектра [11]. На фиг. 5 показано оптическое 3D-изображение распределения интенсивности люминесценции алмаза (зеленое свечение) на участках поверхности (стенок решетки), закрытых во время имплантации маской. Области алмаза (ячейки решетки), подвергнутые имплантации, практически не люминесцируют, и поэтому наблюдаются на фигуре темными квадратными участками (графитизированные области).Confirmation of the formation of a diamond diffraction grating during continuous implantation of diamond by boron ions through a surface mask follows from the observation of the sample with an optical confocal microscope - LSM 780 (Carl Zeiss). The radiation from a semiconductor laser at a wavelength of 488 nm was used as the probing signal, and the optical image of the sample was recorded in the spectral region 508-526 nm through cut-off filters. The impact of the study at a wavelength of 488 nm leads to the excitation of luminescence of diamond in the visible range of the spectrum [11]. In FIG. Figure 5 shows an optical 3D image of the distribution of diamond luminescence intensity (green glow) on surface areas (lattice walls) that were covered during mask implantation. The areas of diamond (lattice cells) subjected to implantation practically do not luminesce, and therefore are observed in the figure by dark square sections (graphitized areas).
На фиг. 6 приведен спектр Рамановского рассеяния алмаза, подвергнутого имплантации ионами бора, измеренный в условиях комнатной температуры при зондировании излучением аргонового лазера на длине волны 522 нм. На низкочастотном участке спектра присутствует хорошо известная линия с максимумом 1336 см-1, соответствующая алмазу, используемому в качестве подложки [12]. После проведения имплантации алмаза ионами бора в длинноволновой области спектра появляется линия с максимумом 1558 см-1, характеризуя образование в образце графитизированных участков в местах разрушаемого алмаза.In FIG. Figure 6 shows the Raman scattering spectrum of diamond implanted with boron ions, measured at room temperature when probing with argon laser radiation at a wavelength of 522 nm. In the low-frequency part of the spectrum, there is a well-known line with a maximum of 1336 cm –1 , corresponding to the diamond used as a substrate [12]. After diamond implantation with boron ions, a line with a maximum of 1558 cm –1 appears in the long-wavelength region of the spectrum, characterizing the formation of graphitized regions in the sample in the places of destroyed diamond.
Информация о состоянии имплантированного ионами бора алмазного слоя, сформированного при изготовлении алмазной дифракционной решетки, была получена при наблюдении образца на атомно-силовом микроскопе - (ACM) Innova Bruker. На фиг. 7 приведено АСМ-изображение фрагмента алмазной дифракционной решетки вблизи стенки (темная область) между имплантированными ячейками (светлые шероховатые области). На фиг. 8 представлен профиль поперечного сечения, измеренный по направлению, указанному на фиг. 7. Из фиг. 8 следует, что имплантированные ионами бора участки поверхности алмаза (ячейки) возвышаются над поверхностью алмаза примерно на 100 нм. При этом графитизированные ячейки дифракционной решетки являются оптически прозрачными. Такое возвышение имплантированных участков объясняется эффектом распухания облучаемых участков (ячеек решетки) образца, характеризуемого меньшей плотностью (ρграфит=2.09-2.23 г/см3) по сравнению с алмазом (неграфитизированным материалом) (ρалмаз=3.47-3.55 г/см3) [13].Information on the state of a diamond layer implanted by boron ions formed during the manufacture of a diamond diffraction grating was obtained by observing a sample using an atomic force microscope (ACM) Innova Bruker. In FIG. Figure 7 shows the AFM image of a fragment of a diamond diffraction grating near the wall (dark region) between implanted cells (light rough regions). In FIG. 8 is a cross-sectional profile measured in the direction indicated in FIG. 7. From FIG. 8, it follows that sections of the diamond surface (cells) implanted by boron ions rise above the diamond surface by about 100 nm. In this case, the graphitized cells of the diffraction grating are optically transparent. This elevation of the implanted areas is explained by the swelling effect of the irradiated areas (lattice cells) of the sample, characterized by a lower density (ρ graphite = 2.09-2.23 g / cm 3 ) compared to diamond (non-graphitized material) (ρ diamond = 3.47-3.55 g / cm 3 ) [13].
Имплантация алмаза ионами бора ведет к модификации его фазовой углеродной структуры, т.е. образованию периодических областей графитизированного материала. В результате имплантации алмаза через поверхностную маску формируется рельефная микроструктура с периодически-изменяемым распределением оптических констант материала, т.е. между стенками алмаза с показателем преломления nалмаз=2.42 и графитизированными ячейками решетки (nграфит=2.1-2.23).The implantation of diamond by boron ions leads to a modification of its phase carbon structure, i.e. the formation of periodic regions of graphitized material. As a result of diamond implantation through a surface mask, a relief microstructure is formed with a periodically variable distribution of the optical constants of the material, i.e. between diamond walls with a refractive index n diamond = 2.42 and graphitized lattice cells (n graphite = 2.1-2.23).
Полученная алмазная дифракционная решетка, показанная на фиг. 3, 4 и 5, соответствует чертежу, приведенному на фиг. 1.The resulting diamond diffraction grating shown in FIG. 3, 4 and 5, corresponds to the drawing shown in FIG. one.
Таким образом, сформированная имплантацией микроструктура с периодически изменяемым показателем преломления представляет собой алмазную дифракционную решетку. На фиг. 9 и 10 приведены дифракционные изображения, регистрируемые при зондировании сформированной алмазной решетки гелий-неоновым лазером на длине волны 632.8 нм света на отражение от образца и на пропускание через него.Thus, the microstructure formed by implantation with a periodically variable refractive index is a diamond diffraction grating. In FIG. Figures 9 and 10 show diffraction images recorded by probing the formed diamond lattice with a helium-neon laser at a wavelength of 632.8 nm of light reflected from the sample and transmitted through it.
Выбор режимов ионной имплантации, E=20-100кэВ и D=1⋅1015-1.0⋅1020 ион/см2, обуславливается тем, что за границами этих режимов не достигается необходимый технический результат, и качество изготовленных алмазных дифракционных решеток не будет соответствовать необходимым требованиям.The choice of ion implantation modes, E = 20-100 keV and D = 1⋅10 15 -1.0⋅10 20 ion / cm 2 , is caused by the fact that the necessary technical result is not achieved beyond the boundaries of these modes, and the quality of the manufactured diamond diffraction gratings will not correspond necessary requirements.
Доза облучения определяется необходимым количеством атомов имплантируемого вещества, чтобы, во-первых, обеспечить высокий контраст в разнице показателей преломления формируемых элементов дифракционной решетки. Это условие, согласно нашим исследованиям зависимости формирования графитизированных участков алмаза от дозы имплантации, выполняется при дозе облучения ионами бора порядка D=1⋅1015 ион/см2. Во-вторых, формирование дифракционной решетки на поверхности алмаза не должно превышать разумной длительности ионной имплантации и по нашим оценкам достигаемая при этом доза составляет не более D=1.0⋅1020 ион/см2.The radiation dose is determined by the required number of atoms of the implanted substance in order, firstly, to provide a high contrast in the difference in refractive indices of the formed elements of the diffraction grating. This condition, according to our studies of the dependence of the formation of graphitized diamond regions on the implantation dose, is fulfilled at a dose of boron ions of the order of D = 1 × 10 15 ion / cm 2 . Secondly, the formation of a diffraction grating on the diamond surface should not exceed a reasonable duration of ion implantation and, according to our estimates, the dose achieved in this case is no more than D = 1.0 =10 20 ion / cm 2 .
Энергия иона Е обуславливает величину его среднего проекционного пробега, которая определяет глубину графитизированного слоя в алмазе. Сверху энергия ускорения иона ограничена величиной E=100 кэВ, поскольку при увеличении данной энергии имплантации и разумной длительности облучения не достигается требуемая концентрация примеси для графитизации алмаза. Ограничение снизу величиной E=10 кэВ связано с тем, что при дальнейшем уменьшении Е рельеф поверхности алмаза, требуемый для функционирования дифракционной решетки, не формируется.The energy of the ion E determines the value of its average projection range, which determines the depth of the graphitized layer in diamond. Above, the ion acceleration energy is limited to E = 100 keV, since with an increase in this implantation energy and a reasonable duration of irradiation, the required impurity concentration for graphitization of diamond is not achieved. The lower limit for E = 10 keV is due to the fact that with a further decrease in E, the surface relief of the diamond required for the functioning of the diffraction grating does not form.
Техническим результатом является то, что предлагаемая алмазная дифракционная решетка может быть создана на монокристаллическом алмазе с возможностью ее использования как для отраженного, так и для проходящего света.The technical result is that the proposed diamond diffraction grating can be created on a single crystal diamond with the possibility of its use for both reflected and transmitted light.
Источники информацииInformation sources
1. Сойфер В.А. Методы компьютерной оптики. М.: Физматлит 2003.1. Soifer V.A. Methods of computer optics. M .: Fizmatlit 2003.
2. Раткин Л. Научные исследования в сфере фотоники. Приоритетные направления. Фотоника. 2011. №4. С. 18-23.2. Ratkin L. Scientific research in the field of photonics. Priority areas. Photonics. 2011. No4. S. 18-23.
3. Коненко В.В., Конов В.И., Пименов С.М., Прохоров A.M., Павельев B.C., Сойфер В.А. Алмазная дифракционная оптика для мощных СO2-лазеров. Квантовая электроника. 1999. Т. 26. №1. С. 9-10.3. Konenko V.V., Konov V.I., Pimenov S.M., Prokhorov AM, Paveliev BC, Soifer V.A. Diamond diffraction optics for high-power CO 2 lasers. Quantum Electronics. 1999.Vol. 26. No. 1. S. 9-10.
4. Karlsson M., Nikolajeff F. Diamond micro-optics: microlenses and antireflection structured surface for the infrared spectral region. Opt. Express. 2003. V. 11. P. 502-507.4. Karlsson M., Nikolajeff F. Diamond micro-optics: microlenses and antireflection structured surface for the infrared spectral region. Opt. Express 2003. V. 11. P. 502-507.
5. Тукмаков K.H., Володин Б.О., Павельев B.C., Комленок M.C., Хомич А.А. Фотонно-кристаллический резонатор на алмазной пленке. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. Т. 7. Вып. 38. С. 112-116.5. Tukmakov K.H., Volodin B.O., Paveliev B.C., Komlenok M.C., Khomich A.A. Photonic crystal resonator on a diamond film. Bulletin of the Samara State Aerospace University. 2012.V. 7. Issue. 38.S. 112-116.
6. Веревкин Ю.К., Бронникова Н.Г., Королихин В.В., Гущина Ю.Ю., Петряков В.Н., Филатов Д.О., Битюрин Н.М., Круглов А.В., Левичев В.В. Формирование двумерных периодических наноструктур на поверхности плавленого кварца, полиимида и поликристаллического алмаза с помощью методов импульсной четырехлучевой интерференционной лазерной модификации. ЖТФ. 2003. Т. 73. С. 99-102.6. Verevkin Yu.K., Bronnikova N.G., Korolikhin V.V., Gushchina Yu.Yu., Petryakov V.N., Filatov D.O., Bityurin N.M., Kruglov A.V., Levichev V.V. The formation of two-dimensional periodic nanostructures on the surface of fused silica, polyimide and polycrystalline diamond using pulsed four-beam interference laser modification. ZHTF. 2003.Vol. 73.S. 99-102.
7. Заблюк К.Н., Митягин А.Ю., Талипов Н.Х., Чучева Г.В., Духновский М.П., Хмельнитский Р.А. Технология создания легированных бором слоев алмаза. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2012. №. 5. С. 39-43.7. Zablyuk K.N., Mityagin A.Yu., Talipov N.Kh., Chucheva G.V., Dukhnovsky M.P., Khmelnitsky R.A. Technology for creating boron-doped diamond layers. Technology and design in electronic equipment. 2012. no. 5, p. 39-43.
8. Amekura Н. Kishimoto N. Effects of high-fluence ion implantation on colorless diamond self-standing films J. Appl. Phys. 2008. V. 104. P. 63509-1 - 63509-6.8. Amekura N. Kishimoto N. Effects of high-fluence ion implantation on colorless diamond self-standing films J. Appl. Phys. 2008. V. 104. P. 63509-1 - 63509-6.
9. Вавилов B.C. Возможности и ограничения ионной имплантации в алмаз и их сопоставление с другими методами введения электрически активных примесей УФН. 1994. Т. 164. №4. С. 429-433.9. Vavilov B.C. Possibilities and limitations of ion implantation in diamond and their comparison with other methods of introducing electrically active impurities of UFN. 1994.V. 164. No. 4. S. 429-433.
10. Ziegel J.B., Biersak J.R., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. N.Z.: Pergamon, 1996.10. Ziegel J. B., Biersak J. R., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. N.Z .: Pergamon, 1996.
11. Collins A.T. The characterization of point defects in diamond luminescence spectroscopy. Diamond and related materials. 1992. V. 1. P. 457-469.11. Collins A.T. The characterization of point defects in diamond luminescence spectroscopy. Diamond and related materials. 1992. V. 1. P. 457-469.
12. Deslandes A., Guenette M.C., Belay K., Elliman R.G., Karatchevtseva I., Thomsen L., Riley D.P., Lumpkin G.R. Diamond structure recovery during ion irradiation at elevated temperatures. Nucl. Instr. Metn. Phys. Res. B. 2015. V. 365. P. 331-335.12. Deslandes A., Guenette M.C., Belay K., Elliman R.G., Karatchevtseva I., Thomsen L., Riley D.P., Lumpkin G.R. Diamond structure recovery during ion irradiation at elevated temperatures. Nucl. Instr. Metn. Phys. Res. B. 2015. V. 365.P. 331-335.
13. Хмельницкий Р.А. Радиационное повреждение и графитизация алмаза при ионной имплантации. Диссертация. Москва, 2008, 97 с.13. Khmelnitsky R.A. Radiation damage and graphitization of diamond during ion implantation. Thesis. Moscow, 2008, 97 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016122158A RU2661520C2 (en) | 2016-06-03 | 2016-06-03 | Diamond diffraction grating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016122158A RU2661520C2 (en) | 2016-06-03 | 2016-06-03 | Diamond diffraction grating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016122158A RU2016122158A (en) | 2017-12-08 |
| RU2661520C2 true RU2661520C2 (en) | 2018-07-17 |
Family
ID=60580900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016122158A RU2661520C2 (en) | 2016-06-03 | 2016-06-03 | Diamond diffraction grating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2661520C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU899714A1 (en) * | 1979-07-11 | 1982-01-23 | Предприятие П/Я Г-4671 | Method for making diffraction gratings |
| JP2001133615A (en) * | 1999-11-09 | 2001-05-18 | Seiko Instruments Inc | Method and device for producing diffraction grating |
| US20080038660A1 (en) * | 2004-05-21 | 2008-02-14 | Sergio Doneda | Method Of Making Grating Structures Having High Aspect Ratio |
| US20140160567A1 (en) * | 2011-02-21 | 2014-06-12 | Canon Kabushiki Kaisha | Diffractive optical element and manufacturing method for the same |
-
2016
- 2016-06-03 RU RU2016122158A patent/RU2661520C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU899714A1 (en) * | 1979-07-11 | 1982-01-23 | Предприятие П/Я Г-4671 | Method for making diffraction gratings |
| JP2001133615A (en) * | 1999-11-09 | 2001-05-18 | Seiko Instruments Inc | Method and device for producing diffraction grating |
| US20080038660A1 (en) * | 2004-05-21 | 2008-02-14 | Sergio Doneda | Method Of Making Grating Structures Having High Aspect Ratio |
| US20140160567A1 (en) * | 2011-02-21 | 2014-06-12 | Canon Kabushiki Kaisha | Diffractive optical element and manufacturing method for the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016122158A (en) | 2017-12-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| De Vries et al. | X-ray diffraction studies of potassium dihydrogen phosphate (KDP) crystal surfaces | |
| Lagomarsino et al. | Complex refractive index variation in proton-damaged diamond | |
| Harb et al. | Production and characterization of porous silicon via laser-assisted etching: effect of gamma irradiation | |
| Lenshin et al. | Study of the morphological growth features and optical characteristics of multilayer porous silicon samples grown on n-type substrates with an epitaxially deposited p+-layer | |
| Demos et al. | Bulk defect formations in KH 2 PO 4 crystals investigated using fluorescence microscopy | |
| Tatarinov et al. | High‐Quality CsPbBr3 Perovskite Films with Modal Gain above 10 000 cm− 1 at Room Temperature | |
| RU166144U1 (en) | DIAMOND DIFFERENCE GRILLE | |
| RU2661520C2 (en) | Diamond diffraction grating | |
| Kadhim et al. | Structural, morphological, chemical and optical properties of porous silicon prepared by electrochemical etching | |
| RU2659702C2 (en) | Method of manufacturing diamond diffraction lattice | |
| RU140494U1 (en) | DIFFRACTION GRATING | |
| WO2016184770A1 (en) | Ribbon optical fibre made of photosensitive glass | |
| JP4373163B2 (en) | Method for manufacturing optical structure | |
| RU2347739C1 (en) | Method of producing nanostructures | |
| Stepanov et al. | A diamond diffraction grating formed via ion implantation | |
| RU163672U1 (en) | OPTICAL THERMOMETRIC DEVICE ON THE POLYMERIC BASIS | |
| Stepanov et al. | NANOSTRUCTURING OF DIAMOND AND OPTICAL DIFFRACTION GRID FORMATION BY BORON ION IMPLANTATION | |
| Wong et al. | Spatially localized photoluminescence at 1.5 micrometers wavelength in direct laser written optical nanostructures | |
| Gorelik et al. | Low-temperature persistent afterglow in opal photonic crystals under pulsed UV excitation | |
| RU2544873C1 (en) | Method of making diffraction grating | |
| RU2687889C1 (en) | Method for manufacturing phase periodic microstructures based on chalcogenide glassy semiconductors | |
| Dresvyanskiy et al. | The formation of surface periodic structures based on alkali halide crystals containing metal nanoparticles by ion implantation | |
| RU2541495C1 (en) | Diffraction grating | |
| RU2630032C1 (en) | Optical thermometric device on polymer basis | |
| RU2756777C1 (en) | Method for obtaining microstructures on the surface of a semiconductor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant |