Ultra kısa lazer darbeleri laboratuvarda yetiştirilen elması kullanışlı kristal düzlem boyunca dilimleyebilir

Mücevherat için değerli bir taş olmanın ötesinde elmas, onu birçok yeni nesil, yüksek performanslı teknoloji için çekici kılan özelliklere sahiptir. Yüksek termal iletkenliği, ısıyı yarı iletken cihazlardan uzaklaştırmaya yardımcı olabilir; geniş bant aralığı ise yüksek güçlü elektronikler için umut vericidir. Üstelik görünür ışık aralığındaki şeffaflığı, elması zorlu optik uygulamalar için kullanışlı kılar.

Ne yazık ki, elmasın karakteristik özelliği olan aşırı sertlik, bu teknolojilerin ihtiyaç duyduğu ince, hassas şekillendirilmiş alt tabakalara dönüşmeyi de zorlaştırıyor. Son birkaç yılda lazer bazlı elmas dilimleme, geleneksel mekanik işlemeye potansiyel bir alternatif olarak ortaya çıktı. Basitçe söylemek gerekirse, odaklanmış lazerler doğrudan kristalin içinde mikroskobik yapısal değişiklikler üretebilir ve bu da çatlak ilerlemesini teşvik eden ve yönlendiren iç gerilimlere yol açar. Ancak bilim insanları, farklı yöntemlerle üretilen elmasların bu tür lazer tedavisine nasıl tepki verdiğini hâlâ tam olarak anlamış değil.

Dergide yayınlanan yakın tarihli bir çalışmada Elmas ve İlgili Malzemeler 1 Kasım 2026’da, Japonya’daki Chiba Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nden profesör Hirofumi Hidai liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu bilgi boşluklarını gidermek için yola çıktı. Chiba Üniversitesi’nden Mahiro Ikeno’nun ortak yazdığı makale, laboratuvarda yetiştirilen farklı elmasların ultra kısa lazer darbelerine nasıl tepki verdiğini araştırıyor ve bu bilgileri büyük elmasları dilimlemek için pratik bir stratejiye dönüştürüyor.

Ekip ilk olarak, biri yüksek basınçlı yüksek sıcaklık (HPHT) yöntemiyle ve ikisi kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle yapılmış, her biri farklı seviyede nitrojen safsızlığına sahip üç tek kristalli elması karşılaştırdı. Bu numuneleri, atım süreleri 233 fs ile 30 ps arasında değişen odaklanmış lazer darbeleriyle ışınladılar. Daha sonra her bir elmasın içinde üretilen değiştirilmiş bölgelerin boyutunu, şeklini ve sürekliliğini incelemek için optik mikroskopi, spektroskopi ve görüntü analizini kullandılar.

Elmas örnekleri lazer darbelerine oldukça farklı tepki verdi. İki CVD elması, HPHT elmasından çok daha kısa darbeler kullanılarak değiştirilebilir. Ek olarak, CVD elmaslarında en kısa darbeler küçük, ayrık işaretler üretirken, yaklaşık 10 ps veya daha uzun darbeler daha sürekli değiştirilmiş bölgeler üretti. Azot içeriği tek başına numuneler arasında gözlemlenen farklılıkları açıklamadı, bu da kristallerin bireysel büyüme geçmişleriyle ilişkili mikroskobik kusurlardaki farklılıkların önemli bir rol oynayabileceğini öne sürdü. HPHT elmaslarla karşılaştırıldığında, CVD elmasları aynı zamanda daha az kararlı, lazerle indüklenen değiştirilmiş bölgeler ve ayrıca morfolojilerinde daha fazla çeşitlilik sergileme eğilimindeydi.

Bu bulgulara dayanarak araştırmacılar daha sonra 8 mm x 8 mm CVD elmasa 10 ps darbe uygulayarak dikkatle kontrol edilen bir ızgarada değiştirilmiş bölgeler oluşturdular. Tek seferde eksiksiz bir çatlak ağı oluşturmaya çalışmak yerine, mevcut olanların orta noktalarına aşamalı olarak ilave değiştirilmiş bölgeler eklediler. Bu tür dört işlem adımından sonra elmas, bir çift cımbızın hafif dokunuşuyla {100} düzlemi boyunca temiz bir şekilde bölündü. Düzlem cilalanması en kolay olanıdır ve bu da onu pratik uygulamalarda özellikle önemli kılmaktadır.

8 mm x 8 mm’lik dilimin alanı, araştırmacıların önceki çalışmalarında ürettiği 300 µm kare HPHT elmastan yaklaşık 710 kat daha büyüktü. Bu daha büyük dilimleme alanı, optik bileşenler ve elektronikler için ihtiyaç duyulan daha büyük elmas alt tabakaların gerçekleştirilmesine yönelik önemli bir adımı temsil ediyor.

Hidai, “Bu yeni dilimleme yönteminin potansiyel uygulamaları arasında, litografi sistemlerinde kullanılan yüksek güçlü lazer optik pencereler için elmas alt katmanların ve bileşenlerin üretimi, AI çipleri gibi gelişmiş elektronik cihazlar için ısı yayıcılar ve yeni nesil elmas bazlı güç yarı iletkenleri yer alıyor” diyor.

Dilimleme sürecinde yer alan adımların potansiyel olarak ölçeklenebilir olduğu göz önüne alındığında, araştırmacılar yeni yöntemlerinin çeşitli endüstriyel ortamlarda kullanılmak üzere uyarlanmasını öngörüyorlar. Hidai, “Önerilen teknoloji, elmas alt katmanlar için gelecekteki seri üretim süreçlerine dahil edilerek, üretim maliyetlerinin azaltılmasına ve malzeme kullanımının iyileştirilmesine yardımcı olabilir. Bu da, elmasın olağanüstü termal, optik ve elektronik özelliklerinden yararlanan üst düzey teknolojilerin daha geniş çapta benimsenmesini hızlandırabilir” diyor.

Elmasın gelecekteki teknolojilerin önemli bir bileşeni olarak benimsenmesi, sürdürülebilirlik açısından da önemli faydalar sağlayabilir. Gelecekte, elmas bazlı güç yarı iletken cihazları, veri merkezleri, güç altyapısı ve elektrikli araçlar gibi uygulamalardaki enerji kayıplarının azaltılmasına yardımcı olarak hızla genişleyen alanlarda daha yüksek enerji verimliliğinin önünü açabilir.