Die außergewöhnliche Härte von Diamant erschwert die Herstellung dünner, präzise geformter Substrate, die für Hochleistungstechnologien erforderlich sind. Forscher der Universität Chiba in Japan haben nun ein laserbasiertes Verfahren demonstriert, mit dem ein im Labor gezüchteter Diamant entlang der Kristallebene {100} gespalten werden kann – einer Orientierung, die als besonders praktisch gilt, weil sie leichter zu polieren ist.

Die am 1. November 2026 in Diamond and Related Materials veröffentlichte Studie untersuchte, wie drei Einkristalldiamanten auf ultrakurze Laserpulse reagierten. Eine Probe war mit dem Hochdruck-Hochtemperaturverfahren (HPHT) hergestellt worden, während zwei weitere durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erzeugt wurden und unterschiedliche Konzentrationen an Stickstoffverunreinigungen enthielten.

Das von Professor Hirofumi Hidai geleitete und von Mahiro Ikeno mitverfasste Team verwendete fokussierte Pulse mit einer Dauer zwischen 233 Femtosekunden und 30 Pikosekunden. Anschließend wurden optische Mikroskopie, Spektroskopie und Bildanalyse eingesetzt, um Größe, Form und Kontinuität der innerhalb der Kristalle gebildeten modifizierten Bereiche zu bewerten.

Die Proben zeigten unterschiedliche Reaktionen. Die CVD-Diamanten konnten mit kürzeren Pulsen als der HPHT-Diamant modifiziert werden. In den CVD-Proben erzeugten die kürzesten Pulse kleine, voneinander getrennte Markierungen, während Pulse von etwa 10 Pikosekunden oder länger kontinuierlichere modifizierte Bereiche hervorbrachten. Die Stickstoffkonzentration allein erklärte die Unterschiede nicht, was darauf hindeutet, dass auch mikroskopische Defekte, die mit der Wachstumsgeschichte jedes Kristalls zusammenhängen, eine wichtige Rolle spielen könnten.

Die CVD-Diamanten erzeugten im Allgemeinen weniger stabile modifizierte Bereiche als die HPHT-Probe und zeigten größere Schwankungen in ihrer Form. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wählten die Forscher Pulse von 10 Pikosekunden aus, um einen 8 mm × 8 mm großen CVD-Diamanten in einem kontrollierten Raster zu bearbeiten.

Anstatt bei einem einzigen Vorgang ein vollständiges Rissnetzwerk zu erzeugen, fügten sie in vier aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten weitere modifizierte Bereiche in der Mitte zwischen bereits vorhandenen Bereichen hinzu. Anschließend spaltete sich der Diamant nach einem leichten Antippen mit einer Pinzette sauber entlang der {100}-Ebene.

Die daraus resultierende Schnittfläche war ungefähr 710-mal größer als die 300 Mikrometer große quadratische Fläche des HPHT-Diamanten, den die Forscher in einer früheren Studie hergestellt hatten. Nach Angaben des Teams ist die größere Fläche ein Schritt hin zur Herstellung der größeren Diamantsubstrate, die für optische Komponenten und elektronische Geräte benötigt werden.

Zu den möglichen Anwendungen gehören Diamantsubstrate, optische Fenster für Hochleistungslaser in Lithografiesystemen, Wärmeverteiler für fortschrittliche Geräte wie KI-Chips sowie diamantbasierte Leistungshalbleiter. Laut Hidai könnte das Verfahren letztlich an die industrielle Produktion angepasst werden, wodurch sich möglicherweise die Herstellungskosten senken und die Materialnutzung verbessern ließen.

Die Studie benennt außerdem mögliche Nachhaltigkeitsvorteile einer breiteren Nutzung diamantbasierter Leistungsgeräte. Solche Komponenten könnten dazu beitragen, Energieverluste in Bereichen wie Rechenzentren, der Strominfrastruktur und Elektrofahrzeugen zu verringern.

Quellen: Phys.org.