Strukturování mikro a nanokrystalických diamantů

Abstract

Překládaná disertační práce se zabývá nukleací, růstem a strukturováním tenkých vrstev polykrystalických diamantů. V první části jsou popsány dvě alternativní metody používané k iniciaci nukleace a růstu diamantu a porovnány se standardními metodami nukleace. Spontánní nukleace probíhá na horizontálně a vertikálně orientovaných neupravených (tj. bez diamantového prášku) silikonových substrátech v lineárním plazmatickém systému CVD za různých hodnot parametrů depozice. Dále je zkoumána nukleace na bázi polymeru ve fokusovaném systému CVD. Byly použitý různé polymery (polystyren-PS, polylaktát-glykolová kyselina a polyvinylalkohol) na křemíkových substrátech v různých formách (tj. mikrosféry, monovrstvy, vícevrstvy a kompozity se zabudovanými diamantovými nanočásticemi). Druhá část práce se zabývá strukturováním mikro- a nanokrystalických diamantových tenkých vrstev pomocí litografie mikrokuliček (LMS). LMS je jednoduchou, spolehlivou, levnou (z hlediska vybavení a provozu) a materiálově nezávislou metodou výroby periodických polí nanostruktur pomocí samouspořádaných mikrosfér jako masky. Monovrstvy PS kuliček v hexagonálním uspořádání jsou připravený na hladkých (Si) a drsných površích (diamantové filmy) použitím tzv. spin-coatingu. Jsou zde podrobně popsány základní problémy spin-coatingu (parametry procesu, drsnost povrchu podkladu, defekty). Po přípravě masky se monovrstvy kuliček modifikují pomocí leptání reaktivními ionty ve dvou různých plazmatických systémech. Vedle leptání v plazmě se používají různé procesní postupy (žíhání, nanášení kovu/diamantu, odstranění kuliček) pro vytvoření požadovaných geometrických šablon. Výsledné nanostruktury mají širokou škálu aplikací v mnoha důležitých oblastech, jako je fotonika, plasmonika, senzorika, biomedicína, atd. V práci jsou popsáný různé strategie výroby (?top-down? and ?bottom-up?) periodických diamantových struktur. Příprava ?kopečkovitých? struktur je demonstrována výrobním procesem ?top-down? sestávající ze čtyř kroků (růst diamantů, příprava masky PS, úprava masky a leptání diamantu). Selektivní růst periodicky uspořádaných diamantových sloupců se provádí pomocí strategie ?bottom-up? (PS kuličky se používají jako mechanická maska pro plazmatické leptání diamantových vrstev). Závěrem je realizována příprava polykrystalického diamantového dvourozměrného fotonického krystalu (tj. porézní struktura v hexagonálním uspořádání). Rozměry fotonického krystalu jsou vyladěny tak, aby měly vytékající vidy v blízké infračervené oblasti (1.31 ?m). Srovnání simulace a měření propustnosti potvrzuje funkčnost fotonického krystalu.

Presented doctoral thesis deals with nucleation, growth, and structuring of polycrystalline diamond thin films. In the first part, two alternative methods used to initiate diamond nucleation and growth are investigated and compared to the standardly established nucleation methods. Spontaneous nucleation is studied on horizontally and vertically oriented non-treated (i.e. absence of pre-existing diamond seeds) silicon substrates in a linear plasma CVD system using different deposition parameters. Furthermore, polymer-based nucleation is studied in a focused CVD plasma system. Various polymers (polystyrene-PS, polylactic-co-glycolic acid and polyvinyl alcohol) are applied on silicon substrates in different forms (i.e. microspheres, monolayers, multilayers and composites with embedded diamond nanoparticles) to initiate diamond growth. The second part of the thesis deals with the structuring of micro- and nanocrystalline diamond thin ?lms using the technique of microsphere lithography (MSL). MSL is shown as a simple, reliable, inexpensive (in terms of equipment and operation) and material independent fabrication method for producing periodic arrays of nanostructures using self-assembled microspheres as a mask. Monolayers of PS spheres with hexagonal close-packed ordering are fabricated on smooth (Si) and rough surfaces (diamond films) using spin-coating. The essential issues of spin-coating (process parameters, substrate surface roughness, defects) are described in details. After mask preparation the close-packed sphere arrays are modified using reactive ion etching in two different plasma systems. Besides plasma etching various process steps (annealing, metal/diamond deposition, lift-off) are utilised to create the desired geometrical patterns. The resulting nanostructures have a wide range of applications in many important areas such as photonics, plasmonics, sensors, biomedicine. This thesis also covers various top-down and bottom-up strategies for manufacturing periodic diamond structures. The preparation of hillock-like structures is demonstrated using a four-step top-down fabrication process (diamond deposition, PS mask preparation, mask modification and diamond etching). Selective area deposition of periodically ordered diamond columns is realised using a bottom-up strategy (PS spheres are employed as a mechanical mask for plasma etching of the seeding layer). Finally, the fabrication of a polycrystalline diamond-based two-dimensional photonic crystal slab (i.e. hexagonal lattice of air holes) is demonstrated. The dimensions of the structure are tuned to have a leaky mode in the near-infrared wavelength region at 1.31 ?m. Comparison of simulation and transmittance measurements confirm the functionality of the photonic crystal.