Laser nanoablation of diamond and formation of atomic-scale surface structures

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An experimental study of the mode of multi-pulse (108–109 pulses) laser nanoablation of single-crystal diamond, which is realized at irradiation intensity below the threshold of laser graphitization and allows controlling the depth of laser treatment of this material with accuracy to the atomic layer, has been carried out. The obtained dependences of the nanoablation rate on the laser energy density for various combinations of laser pulse duration and radiation wavelength indicate that the rate of photostimulated oxidation in air atmosphere is determined by the density of laser plasma created inside the material. A consistent decrease in the nanoablation rate with increasing concentration of nitrogen impurity in diamond was found. It was found that the duration of laser etching in the nanoablation mode and, respectively, the maximum depth of the created nanostructures are limited by the effect of cumulative graphitization.

About the authors

T. V. Kononenko

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

V. V. Kononenko

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

E. V. Zavedeev

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

V. P. Pashinin

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

M. S. Komlenok

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

P. A. Pivovarov

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

K. K. Ashikkalieva

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

M. A. Dezhkina

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

N. D. Kurochitsky

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

A. A. Kupriyanov

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru
Russian Federation, Moscow

V. I. Konov

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: taras.kononenko@nsc.gpi.ru

Academician of the RAS

Russian Federation, Moscow

References

  1. Rothschild A.C., Ehrich D.J. Excimer-laser etching of diamond and hard carbon films by direct writing and optical projection // J. Vac. Sci. Technol. B. 1986. V. 4. Р. 310–314.
  2. Hunn J.D., Withrow S.P., White C.W., Clausing R.E., Heatherly L., Christensen C.P. // Fabrication of single-crystal diamond microcomponents // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65(24). P. 3072–3074.
  3. Ramanathan D., Molian P.A. Micro- and sub-micromachining of type IIa Single crystal diamond using a Ti:sapphire femtosecond laser // J. Manufacturing Science and Engineering. 2002. V. 124 (2). P. 389–396.
  4. Shinoda M., Gattass R.R., Mazur E. Femtosecond laser-induced formation of nanometer-width grooves on synthetic single-crystal diamond surfaces // J. Appl. Phys. 2009. V. 105(5). P. 053102.
  5. Zalloum O.H.Y., Parrish M., Terekhov A., Hofmeister W. On femtosecond micromachining of HPHT single-crystal diamond with direct laser writing using tight focusing // Opt. Express. 2010. V. 18(12). P. 13122–13135.
  6. Konov V.I. Laser in micro and nanoprocessing of diamond materials // Laser & Photonics Reviews. 2012. V. 6(6). P. 739–766.
  7. Ali B., Litvinyuk I.V., Rybachuk M. Femtosecond laser micromachining of diamond: Current research status, applications and challenges // Carbon. 2021. V. 179. P. 209–226.
  8. Apostolova T., Kurylo V., Gnilitskyi I. Ultrafast laser processing of diamond materials: A Review. Frontiers in Physics. 2021. V. 9.
  9. Кононенко В.В., Комленок М.С., Пименов С.М., Конов В.И. Фотоиндуцированное лазерное травление алмазной поверхности // Квантовая электроника. 2007. V. 37(11). P. 1043–1046.
  10. Gololobov V.M., Kononenko V.V., Konov V.I. Laser nanoablation of a diamond surface in air and vacuum // Optics & Laser Technology. 2020. V. 131. P. 106396.
  11. Baldwin C.G., Downes J.E., Mildren R.P. Enhanced etch rate of deep-UV laser induced etching of diamond in low pressure conditions // Applied Physics Letters. 2020. V. 117 (11). P. 111601.
  12. Komlenok M.S., Kononenko V.V., Ralchenko V.G., Pimenov S.M., Konov V.I. Laser Induced Nanoablation of Diamond Materials // Physics Procedia. 2011. V. 12. P. 37–45.
  13. Kononenko V.V., Gololobov V.M., Komlenok M.S., Konov V.I. Nonlinear photooxidation of diamond surface exposed to femtosecond laser pulses // Laser Physics Letters. 2015. V. 12(9). P. 096101.
  14. Mildren R.P., Downes J.E., Brown J.D., Johnston B.F., Granados E., Spence D.J., Lehmann A., Weston L., Bramble A. Characteristics of 2-photon ultraviolet laser etching of diamond // Optical Materials Express. 2011. V. 1(4). P. 576–585.
  15. Bandis C., Pate B.B. Electron emission due to exciton breakup from negative electron affinity diamond // Phys. Rev. Lett. 1995. 74(5). P. 777–780.
  16. Frenklach M., Huang D., Thomas R.E., Rudder R.A., Markunas R.J. Activation energy and mechanism of CO desorption from (100) diamond surface // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 63(22). P. 3090–3092.
  17. Griffiths B., Kirkpatrick A., Nicley S.S., Patel R.L., Zajac J.M., Morley G.W., Booth M.J., Salter P.S., Smith J.M. Microscopic processes during ultrafast laser generation of Frenkel defects in diamond // Physical Review B. 2021. V. 104(17). P. 174303.
  18. Kononenko T.V., Ashikkalieva K.K., Ral’chenko V.G., Kononenko V.V., Konov V.I. Defect-assisted optical breakdown in synthetic diamonds irradiated by IR femtosecond pulses // Diamond & Related Materials. 2024. V. 142. P. 110812.
  19. Kononenko V.V., Komlenok M.S., Chizhov P.A., Bukin V.V., Bulgakova V.V., Khomich A.A., Bolshakov A.P., Konov V.I., Garnov S.V. Efficiency of photoconductive terahertz generation in nitrogen-doped diamonds // Photonics. 2022. V. 9(1). P. 18.
  20. Kononenko V.V., Gololobov V.M., Kononenko T.V., Konov V.I. Photoinduced graphitization of diamond // Laser Physics Letters. 2015. V. 12(1). P. 016101.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».