Efecto Marchywka

El efecto Marchywka es la limpieza electroquímica del diamante mediante un campo eléctrico inducido con electrodos remotos . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El efecto fue observado por primera vez accidentalmente por Mike Marchywka , ^{[ 1 ]} mientras intentaba encontrar un método selectivo para grabar carbono no diamantino y fabricar dispositivos sencillos de detección de UV astronómicos. ^{[ 4 ]} Estos dispositivos requerían algunas características específicas, como superficies limpias y áreas con patrones de carbono no diamantino, pero el enfoque se ha explorado posteriormente como un método más general para terminar superficies de carbono y limpiar y grabar selectivamente otros materiales o estructuras. El término "efecto Marchywka" no se usa de forma consistente y a veces se usa el término "tratamiento superficial bipolar" ^{[ 5 ]} ya que se induce al sustrato a convertirse en un electrodo bipolar . ^{[ 6 ]} También se pueden usar varias frases como "proceso electroquímico sin contacto" (véanse las referencias citadas aquí) o puede mencionarse simplemente como un "grabado electroquímico". ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Aunque esto se confunde fácilmente con varias celdas electroquímicas comunes y puede parecer una extensión trivial y obvia de métodos bien conocidos, las patentes recientes ^{[ 9 ]} siguen haciendo referencia a trabajos anteriores ^{[ 10 ]} que citan la falta de contacto como una característica. El uso de un medio de baja conductividad como el utilizado en el artículo original de Marchywka et al. ^{[ 4 ]} se menciona a veces cuando se utiliza y puede producir nuevos efectos. ^{[ 11 ] [ 12 ]} El aparato para crear el efecto es similar al conocido sistema de electroporación excepto que la muestra biológica se reemplaza con un sustrato inorgánico, ^{[ 4 ]} aunque, en algunos casos, las películas orgánicas se pueden grabar con este proceso utilizando una solución de surfactante como electrolito .

Como proceso "sin contacto", el efecto difiere de los procesos electroquímicos tradicionales donde el flujo de portadores a través de la superficie se logra mediante la conexión a una fuente de corriente con materiales altamente conductores como el alambre de cobre. Los materiales en contacto con un ánodo pueden modificarse de diversas maneras, incluyendo la anodización y el electropulido . La electroquímica fue rápidamente reconocida como un campo relacionado importante en la prensa popular una vez que se fabricaron los primeros diamantes sintéticos. ^{[ 14 ]} Sin embargo, el uso de un campo inducido creado por electrodos remotos permite limpiar, modificar o grabar áreas discontinuas en un sustrato aislante (similar al electrograbado ), ampliando enormemente el papel de los métodos electroquímicos.

Se presume que el mecanismo se debe al campo inducido, pero se ha realizado poco análisis exhaustivo, ya que los procesos reales no parecen diferir de los enfoques tradicionales. Por ejemplo, "identificado como el 'Efecto Marchywka' en la literatura. El grabado puede deberse al acoplamiento galvánico del diamante y el carbono no diamantino". ^{[ 15 ]} El campo aplicado aparentemente crea modificaciones superficiales dirigidas en superficies de diamante pulidas con poca o ninguna eliminación real de material. Esto puede ser deseable para fabricar diversos dispositivos o simplemente para estudiar las propiedades de la superficie del diamante. El campo inducido deposita o reemplaza una sola capa de alguna molécula, lo que podría considerarse un método de electrodeposición de monocapa . Se ha explicado con mayor detalle en muchos trabajos. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Existen numerosas tecnologías previas para la preparación de diamante de banda prohibida ancha, destinado a dispositivos electrónicos o como sustrato para el crecimiento de diamante monocristalino. Las formas más estables del carbono presentan bandas prohibidas más pequeñas y estructuras cristalinas diferentes, por lo que su presencia debe controlarse cuidadosamente. El efecto Marchywka se ha caracterizado y comparado con otros métodos para obtener la superficie deseada en diversas aplicaciones.

La eliminación del carbono no diamantino con productos químicos húmedos se había logrado hirviendo en mezclas de ácido sulfúrico y crómico . Cuando se aplica a un sustrato de diamante con un perfil de daño por implantación iónica como el que se puede usar para ciencia básica, crecimiento de cristales o fabricación de dispositivos, ^{[ 18 ] [ 19 ]} el enfoque electroquímico hace más fácil preservar la película delgada de diamante menos dañado que se encuentra por encima del rango de implantación, y se ha utilizado en experimentos de recocido para reparar el diamante después de que se ha producido el daño por implantación. ^{[ 20 ]} En algunos casos, el ciclo térmico puede ser un problema y la selectividad a varias máscaras puede ser importante, por lo que las temperaturas más bajas y la química más flexible pueden ofrecer ventajas sobre el estado de la técnica anterior.

El método no requiere el uso de materiales no volátiles como el cromo, lo que posiblemente reduce los problemas de contaminación en algunas aplicaciones. La capacidad de controlar la dirección y la velocidad del grabado mediante un voltaje aplicado o una configuración de electrodos, como en el mecanizado electroquímico , ofrece capacidades adicionales que no están disponibles con los métodos químicos isotrópicos. Los métodos de procesamiento en seco, como el oxígeno caliente o los plasmas, también pueden quemar el grafito más rápido que el diamante, al igual que un simple soplete de acetileno . Estos requieren temperaturas más altas y no tienen la misma alta selectividad que se puede lograr con el método electroquímico. ^{[ 21 ]}

La terminación de la superficie suele ser un problema tanto en dispositivos de estado sólido como de vacío, y los detalles de la estructura de bandas de la superficie final se han comparado con alternativas en diversas estructuras de dispositivos. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Si bien el esfuerzo inicial no logró producir productos útiles, trabajos posteriores en Europa sí produjeron detectores astronómicos utilizables ^{[ 24 ] [ 25 ]} , pero sin un uso aparente de esta tecnología. Sin embargo, en otras áreas, el enfoque parece ser competitivo con el estado de la técnica anterior para la fabricación de diversos productos finales, ya que se ha utilizado como paso de fabricación para dispositivos y estructuras experimentales. Muchos grupos han utilizado este enfoque para cultivar diamante homoepitaxial y posteriormente liberar las películas delgadas con una variedad de procesos de "desprendimiento". ^{[ 26 ]}

También se ha considerado en contextos como la producción de sistemas microelectromecánicos de carbono ^{[ 27 ] [ 28 ]} y diferentes aplicaciones de materiales, por ejemplo con deposición y extensiones de paladio sin contacto ^{[ 6 ] [ 29 ] . [ 9 ]} Si bien no citan el artículo original de Marchywka et al., estos continúan citando la falta de contacto como una característica: "El conjunto de electrodos y la superficie conductora pueden colocarse muy cerca, pero sin contacto entre sí". ^{[ 9 ]} hace referencia a una patente mucho anterior ^{[ 10 ]} que cubre intentos relacionados para lograr el electrograbado sin contacto: "La presente invención se refiere a un método y aparato para procesar electroquímicamente superficies metálicas de piezas de trabajo dispuestas de manera sin contacto con respecto al cátodo y al ánodo [...]". ^{[ 4 ]}

El efecto se ha mencionado de pasada con respecto a dispositivos novedosos como los dispositivos cuánticos coherentes ^{[ 30 ]} , mientras que las patentes sobre usos emergentes para el carbono amorfo ^{[ 31 ] [ 32 ]} y los conductores térmicos de diamante ^{[ 33 ]} por parte de fabricantes de chips electrónicos de alta densidad hacen referencia a la tecnología de levantamiento relacionada.

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