1 Introduzzjoni
Diamond jippossjedi proprjetajiet mekkaniċi, ottiċi, termali u elettriċi eċċellenti, li jagħmilha materjal multifunzjonali tipiku bi prospetti wesgħin ta' applikazzjoni f'ħafna oqsma ta'-teknoloġija għolja bħall-ajruspazju, l-enerġija, sensuri intelliġenti, u magni ta' preċiżjoni [1]. Bid-domanda dejjem tikber għad-djamanti, ir-riżervi tad-djamanti naturali huma limitati u għaljin ħafna, li ma jistgħux jissodisfaw il-ħtiġijiet soċjali li qed jikbru. Għalhekk, ir-riċerkaturi ilhom jesploraw kontinwament metodi ġodda għas-sintetizzazzjoni tad-djamanti b'mod artifiċjali.
Il-metodi ewlenin għall-preparazzjoni tad-djamanti sintetiċi huma l-metodu ta'-pressjoni għolja-temperatura (HPHT) u depożizzjoni kimika tal-fwar (CVD). Il-partiċelli tad-djamanti sintetizzati bil-metodu HPHT huma l-aktar żgħar fid-daqs u ħafna drabi jkun fihom ammont kbir ta 'impuritajiet tal-katalist. Għalhekk, l-ambitu tal-applikazzjoni tagħhom huwa limitat, primarjament għal abrażivi u għodod (eż., djamant polikristallin, PCD) [2]. F'dawn l-aħħar snin, it-teknoloġija tad-depożizzjoni tal-fwar kimiku (CVD) ħarġet bħala hotspot ta 'riċerka promettenti ħafna. Il-kristalli tad-djamanti ppreparati minn CVD għandhom daqsijiet tal-qamħ u forom tal-kristall l-eqreb għal dawk tad-djamanti naturali u juru proprjetajiet eċċellenti [3].
2 Preparazzjoni ta' Films Diamond minn CVD
Il-metodu CVD huwa teknoloġija ewlenija għall-preparazzjoni ta 'films irqaq b'mezzi kimiċi. Ġie użat ħafna fil-preparazzjoni ta 'diversi materjali tal-film irqiq u huwa wkoll metodu importanti għall-produzzjoni ta' films tad-djamanti. F'dawn l-aħħar snin, ir-riċerka dwar is-sinteżi tal-film tad-djamanti minn CVD mxiet 'il quddiem malajr, u issa nkisbu kapaċitajiet ta' produzzjoni u applikazzjoni fuq skala kbira-.
2.1 Mekkaniżmu ta' Tkabbir [4]
Is-sintesi CVD tad-djamanti ġeneralment tinvolvi prekursuri li fihom il-karbonju-dekompożizzjoni li jużaw l-enerġija f'atmosfera ta' tnaqqis biex tiġġenera idroġenu atomiku, li jiffaċilita t-tkabbir tad-djamanti. Il-proċess tat-tkabbir jinkludi speċifikament il-passi bażiċi li ġejjin: (1) Il-prekursur (eżempju b'CH₄) jiġi introdott fir-reattur CVD; (2) Il-prekursur tal-gass huwa dekompost mill-enerġija (plażma jew enerġija termali) f'radikali ħielsa (CₓHᵧ, eċċ.); (3) Radikali ħielsa jaħbtu ma 'xulxin sakemm jilħqu l-wiċċ tas-sottostrat; (4) Radikali ħielsa jassorbu fuq il-wiċċ tas-sottostrat; (5) Ir-radikali ħielsa adsorbiti jiddekomponu biex jiffurmaw speċi ta 'karbonju attiv u jxerrdu fuq il-wiċċ; (6) Speċi attivi jiffurmaw il-kannizzata tad-djamanti; (7) Speċi mhux-attivi (bħall-idroġenu) desorbi mill-wiċċ, u jiffurmaw molekuli tal-idroġenu jew prodotti sekondarji oħra-; (8) Il--prodotti sekondarji jinfirxu 'l bogħod mill-wiċċ permezz tas-saff tal-konfini u eventwalment jitneħħew mill-fluss tal-gass bl-ingrossa.
2.2 Tekniki ta' Preparazzjoni
Minn meta tfaċċat il-preparazzjoni tad-djamanti CVD fis-snin 80, ir-riċerkaturi wettqu studji sostnuti fil--fond, li wasslu għall-iżvilupp ta' diversi metodi CVD [5]. Bħalissa, tekniki ta 'preparazzjoni tal-film tad-djamanti maturi jinkludu CVD tal-filament sħun (HFCVD), CVD tal-plażma microwave (MPCVD), u CVD tal-ġett tal-plażma tal-ark ta' kurrent dirett (DCPJCVD).
2.2.1 Hot Filament CVD (HFCVD)
Fil-metodu HFCVD, gassijiet idrokarburi bħal metanu (CH₄) u aċetilena, flimkien ma 'idroġenu (H₂), huma introdotti fil-kamra tar-reazzjoni. It-temperatura tal-filament fil-kamra hija 'l fuq minn 2000 grad, u l-gass imħallat huwa dekompost f'temperatura għolja biex jipproduċi radikali tal-karbonju ibridizzati sp³ meħtieġa għas-sintesi tad-djamanti, li mbagħad jiffurmaw film tad-djamanti fuq il-wiċċ tas-sottostrat [6].
Il-metodu HFCVD għandu l-vantaġġi ta 'tagħmir sempliċi, rata għolja ta' depożizzjoni tal-film, tħaddim faċli, prezz baxx, u teknoloġija matura. Intuża ħafna fil-produzzjoni industrijali u huwa wkoll wieħed mill-metodi ewlenin għall-preparazzjoni ta' kisjiet tad-djamanti mikrokristallini, kisjiet tad-djamanti nanokristallini, u kisjiet tal-karbonju-bħal djamanti [2]. L-iżvantaġġi tiegħu jinkludu: il-filament jaħraq ma jeċitax il-gass sa grad għoli, u l-filament innifsu jista 'jikkontamina l-film tad-djamanti; il-filament huwa suxxettibbli għal deformazzjoni waqt it-tisħin, li tiddegrada l-uniformità tal-film depożitat; u l-filament għandu ħajja qasira, li jagħmilha mhux adattata għal -depożizzjoni fit-tul ta' kampjuni ta' film ħoxnin [7].
Bħalissa, ir-riċerka dwar il-preparazzjoni tal-film tad-djamanti bl-użu ta 'HFCVD hija relattivament matura kemm domestikament kif ukoll internazzjonalment. Madankollu, għadha meħtieġa aktar esplorazzjoni dwar kif jiġu aġġustati l-parametri tal-proċess biex tittejjeb il-kwalità tal-film tad-djamanti [2]. Il-parametri ewlenin tal-proċess jinkludu r-rata u l-proporzjon tal-fluss tal-gass, it-temperatura tal-filament, it-tip u t-temperatura tas-sottostrat, u l-pressjoni tal-kamra tar-reazzjoni.
2.2.2 CVD tal-Ġett tal-Plażma tal-Ark tal-Kurrent Dirett (DCPJCVD)
Il-metodu DCPJCVD huwa teknika unika ta 'tkabbir tad-djamanti CVD żviluppata minn riċerkaturi Ċiniżi [4]. Il-prinċipju tiegħu huwa li tuża skarigu ta' ark DC ta' qawwa għolja- biex teċita gass ta' reazzjoni magħmul prinċipalment minn CH₄-H₂{-Ar fi plażma, li mbagħad tintefa' b'veloċità għolja fuq il-wiċċ tas-sottostrat, u tiddepożita film djamant [7].
Meta mqabbel ma 'tekniki oħra ta' depożizzjoni CVD, DCPJCVD għandu l-vantaġġi tal-ogħla rata ta 'depożizzjoni, vultaġġ baxx ta' skarigu, kurrent ta 'skariku għoli, grad għoli ta' jonizzazzjoni, densità għolja ta 'plażma, u żona kbira ta' depożizzjoni. Ir-rata massima ta 'depożizzjoni tagħha tista' tilħaq 1000 μm/h, li tagħmilha adattata għall-produzzjoni ta 'films tad-djamanti ta' -erja kbira. Bħalissa huwa l-aktar metodu mgħaġġel biex jiġu sintetizzati films tad-djamanti, iżda jeħtieġ investiment sinifikanti fit-tagħmir, ipproċessar kumpless, u l-uniformità tal-film għadha teħtieġ titjib [4].
Fiċ-Ċina, l-Università tax-Xjenza u t-Teknoloġija Beijing u l-Akkademja tax-Xjenzi Hebei żviluppaw u rfinaw b'mod konġunt din it-teknoloġija [8]. Fil-preżent, films tad-djamanti ppreparati bit-teknoloġija tal-ġett tal-plażma tal-ark DC fiċ-Ċina huma f'livell avvanzat f'termini ta 'kwalità u żona meta mqabbla ma' dawk prodotti bl-istess metodu barra mill-pajjiż, u prodotti relatati tal-film tad-djamanti diġà daħlu fis-suq internazzjonali bl-ingrossa bħala materjali ta 'għodda superhard.
2.2.3 CVD tal-plażma microwave (MPCVD)
Fil-metodu MPCVD għall-preparazzjoni tal-film tad-djamanti, il-kamp elettromanjetiku ta'-frekwenza għolja ġġenerat minn magnetron microwave jikkawża li l-elettroni joxxillaw b'mod vigoruż fi spazju ristrett. Dawn l-elettroni jaħbtu b'mod intens mal-molekuli tal-gass u l-atomi fl-ispazju, jonizzaw il-gass u jiġġeneraw radikali attivi bħal -CH₃ u H. Dawn l-ispeċi attivi jgħaddu minn reazzjonijiet fiżikokimiċi, jimxu lejn is-sottostrat, u mbagħad jassorbu, ixerrdu, jinnukleaw, u jikbru fuq il-wiċċ tas-sottostrat, u fl-aħħar mill-aħħar jagħtu film djamant [9].
Karatteristika notevoli ta 'MPCVD hija li l-plażma microwave tista' tikseb skarigu stabbli mingħajr elettrodi permezz tal-kamp elettriku ta '-frekwenza għolja, u b'hekk tnaqqas il-kontaminazzjoni tal-kampjun. Barra minn hekk, il-microwave jikkawża oxxillazzjoni qawwija tal-gass, jattiva l-gass b'mod effettiv u jiġġenera plażma ta'-densità għolja, li tippermetti t-tkabbir ta' films tad-djamanti ta'-kwalità għolja [10]. Id-diffikultà tinsab fil-formazzjoni ta 'żona ta' depożizzjoni kbira u uniformi, li hija affettwata minn ħafna fatturi, inkluża d-distribuzzjoni tal-kamp elettriku fil-kavità, varjazzjoni fit-temperatura tas-sottostrat, qawwa microwave, u distribuzzjoni ta 'radikali attivi. Barra minn hekk, ir-rata tad-depożizzjoni tal-film tad-djamanti hija ġeneralment aktar baxxa minn dik tal-ġett tal-plażma tal-ark DC CVD [4].
Biex tikkumpensa għar-rata ta 'depożizzjoni baxxa ta' MPCVD, riċerkaturi barranin żiedu kontinwament il-qawwa tad-dħul tat-tagħmir biex itejbu r-rata ta 'depożizzjoni. Matul għexieren ta 'snin ta' żvilupp, il-qawwa żdiedet minn ftit mijiet ta 'watts għal kważi 100 kW, u tejbet b'mod sinifikanti ż-żona ta' depożitu, ir-rata ta 'depożizzjoni, u l-kwalità tal-films tad-djamanti. Ir-riċerka domestika dwar il-preparazzjoni tad-djamanti MPCVD bdiet relattivament tard, iżda permezz ta 'riċerka u żvilupp kontinwi, iċ-Ċina fil-biċċa l-kbira żammet il-pass mal-progress internazzjonali, għalkemm għad fadal nuqqasijiet fil-kwalità u l-applikazzjonijiet kummerċjali. Fl-aħħar 20 sena, timijiet domestiċi ta' riċerka ffukaw fuq id-disinn tar-resonaturi biex isegwu żvilupp ta' djamanti kummerċjali fuq skala kbira-[11].
3 Applikazzjonijiet ta' Films Diamond
3.1 Applikazzjonijiet Ottiċi
Il-films tad-djamanti jippossjedu proprjetajiet ottiċi eċċellenti, inkluż trażmissjoni għolja, indiċi ta 'rifrazzjoni baxx, u tifrix baxx. Ħafna drabi jintużaw biex jiffabbrikaw twieqi ottiċi, lentijiet ottiċi, u komponenti oħra, bi prospetti ta' applikazzjoni eċċellenti f'oqsma ta'-teknoloġija għolja bħall-militar, il-komunikazzjoni, u t-teknoloġija tas-satellita. Il-films tad-djamanti għandhom proprjetajiet fiżikokimiċi eċċellenti, b'mod partikolari trażmissjoni tajba mill-ultravjola għall-firxiet tal-infra-aħmar u microwave bogħod-. Meta jintużaw għal twieqi ottiċi, jistgħu jevitaw b'mod effettiv l-effetti tal-lenti termali, l-erożjoni tax-xita, l-erożjoni tar-ramel u d-distorsjoni ottika. Barra minn hekk, films tad-djamanti ħafna drabi jintużaw fit-twieqi u l-maskri tar-raġġi X, il-miri tat-trażmissjoni tar-raġġi X, lentijiet ottiċi, u apparat ieħor [12].
3.2 Applikazzjonijiet Termali
Fil-passat, densità għolja, qawwa għolja, u volum żgħir saru t-tendenzi kontinwi fl-iżvilupp ta 'apparat elettroniku fil-qasam tal-mikroelettronika. Madankollu, b'din it-tendenza, is-sħana ġġenerata mill-komponenti se tiżdied sostanzjalment. Il-films tad-djamanti CVD għandhom proprjetajiet komparabbli ma 'dawk tad-djamanti naturali, speċjalment koeffiċjent estremament baxx ta' espansjoni termali, konduttività termali ultra-għolja, u insulazzjoni elettrika. Huma materjali ideali tas-sink tas-sħana u materjali tal-ippakkjar, użati b'mod wiesa 'f'apparati tal-lejżer ta' -qawwa għolja, ċirkwiti integrati ta '-skala kbira, transistors tal-qawwa RF, twieqi ottiċi ta'-qawwa għolja, u apparat ieħor.
3.3 Applikazzjonijiet Akustiċi
Bl-adozzjoni mifruxa tat-tagħmir tal-awdjo, it-talbiet tal-konsumatur għall-kwalità tal-kelliem żdiedu b'mod kostanti. Meta mqabbel ma 'materjali tad-dijaframma tradizzjonali bħal fibra tal-karbonju, ċeramika u berillju, il-films tad-djamanti għandhom densità aktar baxxa u modulu elastiku ogħla. Fl-istess ħin, il-konfini tal-qamħ fil-films tad-djamanti polikristallini jistgħu jipprovdu frizzjoni interna ideali, u jagħtuhom proprjetajiet komprensivi ferm superjuri għal dawk ta 'materjali tradizzjonali, u jagħmlu d-djamant għażla eċċellenti għad-dijaframmi tal-kelliem. Barra minn hekk, l-użu ta 'midja ta' veloċità akustika għolja huwa mezz ewlieni biex tiżdied il-frekwenza operattiva tal-apparati. Diamond bħalissa huwa l-materjal bl-ogħla veloċità ta 'propagazzjoni akustika magħrufa, li tista' ttejjeb ħafna l-frekwenza operattiva ta 'apparati tal-mewġ akustiku tal-wiċċ (SAW), li tippermetti l-interkonverżjoni ta' sinjali RF u vibrazzjonijiet mekkaniċi, u toffri prospetti wiesgħa ta 'applikazzjoni fis-satellita, komunikazzjonijiet mobbli, u oqsma oħra [10].
3.4 Applikazzjonijiet elettriċi
Minħabba l-bandgap wiesgħa tad-djamanti, mobilità għolja ta 'elettroni u toqba, kamp elettriku ta' tqassim għoli, kostanti dielettrika baxxa, resistività għolja, u konduttività termali għolja, huwa adattat ħafna għal apparat semikonduttur integrat ħafna li joperaw taħt temperatura għolja, preġudizzju għoli, qawwa għolja u kundizzjonijiet ta 'radjazzjoni għolja. Għalhekk, id-djamant huwa mistenni li jissostitwixxi s-silikon bħala materjal ideali għal apparat elettroniku li għandu jaħdem b'mod affidabbli taħt kundizzjonijiet ħorox bħal temperatura għolja u reżistenza għar-radjazzjoni.
3.5 Applikazzjonijiet Bijomediċi
Il-films tad-djamanti jgħaqqdu bijokompatibilità tajba, proprjetajiet mekkaniċi eċċellenti, u stabbiltà kimika, u jagħmluhom bijomaterjali promettenti ħafna tal--ġenerazzjoni li jmiss. Il-proprjetajiet mekkaniċi superjuri u l-istabbiltà kimika tagħhom jistgħu jnaqqsu ħafna l-użu u l-korrużjoni elettrokimika ta 'impjanti miksija djamant-. Il-modifikabbiltà tal-wiċċ, il-bijokompatibilità, u l-konduttività elettrika eċċellenti wara d-doping tal-films tad-djamanti CVD jagħmluhom ukoll appoġġi eċċellenti għall-bijosensuri. Meta mqabbel ma 'appoġġi oħra, bijosensuri bbażati fuq substrati tal-film tad-djamanti joffru stabbiltà, affidabilità u sensittività ogħla.