Лазерные импульсы раскололи алмаз по плоскости {100}

Алмаз проводит тепло лучше большинства материалов, пропускает видимый свет и держит высокие напряжения. Для электроники, оптики и мощных лазеров это почти идеальный материал. Но это ещё и самое твёрдое природное вещество: вырезать из него тонкую ровную пластину обычными механическими способами трудно и дорого. Японские исследователи предложили другой путь: они научились раскалывать лабораторно выращенные алмазы лазером, причём трещина проходит точно по заданной кристаллической плоскости.

Работу выполнила группа профессора Хирофуми Хидаи из Университета Тибы, в неё входил Магиро Икэно из того же университета; публикация вышла 1 ноября 2026 года в журнале Diamond and Related Materials. Сначала авторы сравнили три монокристалла: один выращен методом высокого давления и высокой температуры (HPHT), два — химическим осаждением из газовой фазы (CVD), и все три содержали разное количество примеси азота. Образцы облучали сфокусированными импульсами длительностью от 233 фемтосекунд до 30 пикосекунд, а потом с помощью оптической микроскопии, спектроскопии и анализа изображений изучали форму, размер и непрерывность изменённых областей внутри кристалла.

Что показали эксперименты

CVD-алмазы и HPHT-кристалл отреагировали на лазер по-разному. У CVD-образцов изменённые области удавалось создавать импульсами заметно короче. Самые короткие импульсы оставляли в них мелкие отдельные метки, а при длительности около 10 пикосекунд и больше эти области становились более непрерывными. Разницу между образцами нельзя списать на азот: по мнению авторов, важную роль играют микроскопические дефекты, связанные с индивидуальной историей роста каждого кристалла. По сравнению с HPHT изменённые области в CVD-алмазах вели себя менее стабильно и сильнее различались по форме.

Дальше команда применила эти знания на практике. На CVD-алмаз размером 8 на 8 мм импульсами по 10 пикосекунд нанесли упорядоченную сетку изменённых областей, а затем в четыре приёма добавляли новые точки посередине между существующими, вместо того чтобы пытаться получить всю сеть трещин за один проход. После четвёртого шага кристалл отделился ровно по плоскости {100} от лёгкого касания пинцетом. Именно эту плоскость проще всего полировать, поэтому она особенно ценится на практике. Площадь полученного среза примерно в 710 раз больше, чем у HPHT-образца 300 на 300 микрометров из предыдущей работы той же группы.

Как это устроено и зачем нужно

Механизм такой: сфокусированный лазер оставляет внутри кристалла микроскопические изменённые зоны, вокруг которых возникают внутренние напряжения. Трещина растёт от зоны к зоне, и весь кристалл раскалывается по заданной линии, как лист бумаги с надрезами. Длительность импульса здесь принципиальна: слишком короткие импульсы дают рассеянные точки, между которыми трещина не соберётся в непрерывную линию.

Суть проще показать на условном примере. Возьмём деревянную доску: если неглубоко надрезать её поперёк волокон, она сломается ровно по надрезам. Лазерная обработка делает то же самое внутри алмаза, только «надрезы» снаружи не видны и прокладываются в объёме кристалла. У аналогии есть граница: доска надрезается предсказуемо в любом месте, а алмаз реагирует на каждый импульс по-своему, в зависимости от внутренних дефектов.

Результат важен для технологий, которым нужны крупные алмазные подложки: оптических окон мощных лазеров в литографических системах, теплоотводов для чипов и силовой полупроводниковой электроники на алмазе. Сам Хидай отмечает, что шаги процесса потенциально масштабируемы и технология может войти в будущие серийные производства подложек, снизив затраты и улучшив использование материала. Это пока ожидание авторов, а не продемонстрированный промышленный результат: в работе использованы три образца, и пороговых параметров для других CVD-алмазов в материале не приводится. Журнальная статья по DOI 10.1016/j.diamond.2026.114182 осталась недоступной, поэтому детали метода пересказаны по пресс-релизу университета.

Теме лазерной обработки материалов и анализа микроструктур посвящено немало дипломных и магистерских работ по материаловедению и физике; тем, кто готовит научную статью по результатам такого исследования, полезно заранее продумать, какие сравнения между образцами и какими методами будут обосновывать выводы. Японская работа показывает, что образцы, выращенные разными методами, по-разному откликаются на одну и ту же лазерную обработку.