用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，采用如下装置：激光器，用于控制激光器输出的光束快门，用于放置金刚石的工作台；在激光器激光头和工作台间设聚焦透镜；使激光器发射的激光经聚焦透镜照射在金刚石上；通过控制激光光斑与工作台的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节激光器输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光斑相对工作台的三维移动速度，使激光辐射区域内金刚石材料转化为石墨相以及无定形碳相，及改变激光辐射区域内材料电导率及电磁波透过率。本发明专利技术还公开了采用上述的方法制备而成的元器件。本发明专利技术可以在金刚石表面和内部加工自由设计的电磁波调制器、电阻、电容等多种器件。

【技术实现步骤摘要】
用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法
本专利技术涉及一种电磁波调制器件及其制备方法，特别涉及一种用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法。
技术介绍
目前，激光技术不断发展，其应用已经深入到材料科学、光电子器件、3D打印、生物医学等领域。与长脉冲激光相比，超短脉冲激光的脉宽极短，当激光作用到目标材料上时，焦点区域附近不会发生显著的损伤，在短时间内热传导等影响可以忽略不计。随着科技的发展，微电子技术显著推动了信息化社会的发展，目前硅材料仍旧占据着半导体材料领域的90％以上，而新一代半导体材料即第三代宽禁带与超宽禁带半导体材料也越来越受到重视。金刚石属于超宽禁带半导体材料，同时也是超硬材料。超硬材料是指维氏硬度大于40GPa的材料，这类材料具有高电子密度和高键能的共价键，金刚石的耐腐蚀性和优异的光电性能，使其可以作为重要的光学材料和电子材料。电磁波调制器等一些元器件，主要是基于Si基底的光刻技术实现的，如申请号为202010166069.7的中国专利技术专利，该技术在Si表面刻蚀，结构实现对电磁波的调制，但是，Si基底对电磁波的透过率较低，此外刻蚀结构受限于加工精度等和结构本身的限制，很难做到对目标波段的电磁波实现较高调制深度。又如申请号为201911264503.9，201810223513.7的中国专利申请，公开了一种电致衬底电导率变化或者载流子浓度变化的电磁波调制器，然而，衬底材料电导率或者载流子浓度的变化范围有限，无法做到完全相变，因此制约了调制器的调制深度。
技术实现思路
>本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，采用如下装置：激光器，用于控制激光器的激光输出的光束快门，用于放置金刚石材料的工作台；在激光器的激光头和工作台之间设置用于聚焦的聚焦透镜；使激光器发射的激光经过聚焦透镜，照射在工作台上的金刚石材料上；通过控制激光光斑与工作台的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦透镜的光学特性参数、激光的输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光光斑相对工作台的三维移动速度，使激光辐射区域内的金刚石材料转化为石墨相以及无定形碳相，进一步改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率。进一步地，激光器输出的激光，其能量范围为：30nJ～30μJ，其脉冲重复频率≥100kHz，其脉冲宽度小于100ps。进一步地，在激光器的激光头和聚焦透镜之间还设置第一反射镜及第二反射镜；使激光器输出的激光依次经过第一反射镜及第二反射镜后射到聚焦透镜上。进一步地，在激光器的激光头和第一反射镜之间还设置半波片及偏振分束器；使激光器发射的激光依次经过半波片、偏振分束器后射到第一反射镜上。本专利技术还提供了一种元器件，该元器件采用上述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法制备而成。进一步地，元器件为电磁波调制器。进一步地，元器件为电阻。进一步地，元器件为电容。进一步地，元器件为晶体管。进一步地，元器件为集成电路。本专利技术具有的优点和积极效果是：本专利技术采用激光器、光束快门及三维移动的工作台；使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦镜头的光学特性参数、激光器的输出功率、脉冲重复频率及工作台的三维移动速度，改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率，三维移动的工作台配合激光的联动，可利用超短脉冲激光可以在金刚石材料表面和内部光刻各种立体形状及结构，从而制成电磁波调制器、电阻、电容等电子元器件和光电元器件。金刚石是一种耐强酸碱腐蚀、具有非常良好导热性、超硬度耐磨损的材料，随着金刚石薄膜技术的发展和碳基电子、光学、光电子器件的研究推进，本专利技术有着广阔的使用前景和易于集成的特点。本专利技术有以下应用前景及优势：(1)本技术可以在金刚石内部写入自由设计的电磁波调制器件，包括二维或三维微结构的器件，(2)电磁波范围可以覆盖可见光、红外、太赫兹和高频微波波段，(3)本技术可以在金刚石表面和内部刻划电学器件、电子线路，加工区域电导率大范围可调，(4)制备的器件可以自由设计、多功能集成，(5)制备器件精度高，无崩碎和划痕，(6)加工条件容易满足，(7)制备的器件可以在极端环境中使用。附图说明图1是本专利技术的一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法的工作流程图。图2是本专利技术的一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法的光路图。图中：1、飞秒激光器；2、半波片；3、偏振分束器；4、第一透镜；5、第二透镜；6、光束快门；7、第一反射镜；8、电荷耦合元件；9、变焦镜头；10、分光镜；11、白光光源；12、双色镜；13、聚焦透镜；14、金刚石材料；15、工作台。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：请参见图1至图2，一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，采用如下装置：激光器，用于控制激光器的激光输出的光束快门6，放置金刚石材料14的工作台15；在激光器的激光头和工作台15之间设置用于聚焦的聚焦透镜13；使激光器发射的激光经过聚焦透镜13，照射在工作台15上的金刚石材料14上；通过控制激光光斑与工作台15的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦透镜的光学特性参数、激光的输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光光斑相对工作台15的三维移动速度，使辐射区域内的金刚石材料14转化为石墨相以及无定形碳相，进一步改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率。可使发射激光的激光器等光学元器件不动，工作台为三维移动工作台。这样可实现激光器输出的激光相对工作台15移动；也可以将发射激光的激光器等光学元器件设置在一个可移动的加工头上，工作台静止，加工头相对工作台三维移动。调节聚焦透镜的光学特性参数可通过更换镜头调整。优选地，激光器可为飞秒激光器或皮秒激光器。激光器输出的激光，其能量范围可为：30nJ～30μJ，其脉冲重复频率可≥100kHz，其脉冲宽度可小于100ps。优选地，在激光器的激光头和聚焦透镜13之间还设置第一反射镜7及第二反射镜，第二反射镜可为双色镜12；使激光器发射的激光依次经过第一反射镜7及双色镜12后射到聚焦透镜13上。优选地，在激光器的激光头和第一反射镜7之间还可设置半波片2及偏振分束器3；使激光器发射的激光依次经过半波片2、偏振分束器3后射到第一反射镜7上。半波片2和偏振分束器3两种元件结合可用于辅助调节激光功率。图2是本专利技术的一个优选实施例，该实施例采用如下装置：飞秒激光器1、半波片2、偏振分束器3、第一透镜4、第二透镜5、光束快门6、第一反射镜7、电荷耦合元件8、变焦镜头9、分光镜10、白光光源11、双色镜12、聚焦透镜13及工作台15；对金刚石材料14进行加工，飞秒激光器1发射的激光束依次经过半波片2、偏振分束器3、第一透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，采用如下装置：激光器，用于控制激光器的激光输出的光束快门，用于放置金刚石材料的工作台；在激光器的激光头和工作台之间设置用于聚焦的聚焦透镜；使激光器发射的激光经过聚焦透镜，照射在工作台上的金刚石材料上；通过控制激光光斑与工作台的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦透镜的光学特性参数、激光的输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光光斑相对工作台的三维移动速度，使激光辐射区域内的金刚石材料转化为石墨相以及无定形碳相，进一步改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率。/n

【技术特征摘要】
1.一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，采用如下装置：激光器，用于控制激光器的激光输出的光束快门，用于放置金刚石材料的工作台；在激光器的激光头和工作台之间设置用于聚焦的聚焦透镜；使激光器发射的激光经过聚焦透镜，照射在工作台上的金刚石材料上；通过控制激光光斑与工作台的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦透镜的光学特性参数、激光的输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光光斑相对工作台的三维移动速度，使激光辐射区域内的金刚石材料转化为石墨相以及无定形碳相，进一步改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率。


2.根据权利要求1所述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，激光器输出的激光，其能量范围为：30nJ～30μJ，其脉冲重复频率≥100kHz，其脉冲宽度小于100ps。


3.根据权利要求1所述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，在激光器的激光头和聚焦透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞冬青，林百川，宋琦，柴路，胡明列，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12