1 Inngangur
Demantur hefur framúrskarandi vélræna, sjónræna, hitauppstreymi og rafeiginleika, sem gerir hann að dæmigerðu fjölnota efni með víðtæka notkunarmöguleika á mörgum hátæknisviðum eins og loftrými, orku, greindum skynjurum og nákvæmni vinnslu [1]. Með aukinni eftirspurn eftir demöntum er náttúrulegur demantaforði takmarkaður og afar dýr, sem getur ekki mætt vaxandi félagslegum þörfum. Þess vegna hafa vísindamenn stöðugt verið að kanna nýjar aðferðir til að búa til demantur tilbúnar.
Helstu aðferðirnar til að útbúa tilbúinn demantur eru há-háþrýstings-hitaaðferð (HPHT) og efnagufuútfelling (CVD). Demantagnir sem eru tilbúnar með HPHT-aðferðinni eru að mestu litlar að stærð og innihalda oft mikið magn af hvataóhreinindum. Þess vegna er notkunarsvið þeirra takmarkað, fyrst og fremst við slípiefni og verkfæri (td fjölkristallaður demantur, PCD) [2]. Undanfarin ár hefur tækni fyrir efnagufu (CVD) komið fram sem mjög efnilegur rannsóknarreitur. Demantskristallar framleiddir af CVD hafa kornastærðir og kristalform sem eru næst þeim náttúrulegum demants og hafa framúrskarandi eiginleika [3].
2 Undirbúningur demantamynda eftir CVD
CVD aðferðin er lykiltækni til að undirbúa þunnar filmur með efnafræðilegum hætti. Það hefur verið mikið notað við framleiðslu ýmissa þunnfilmuefna og er einnig mikilvæg aðferð til að framleiða demantfilmur. Undanfarin ár hefur rannsóknum á demantafilmumyndun með CVD farið hratt fram og-framleiðsla og notkunarmöguleikar í stórum stíl hafa nú náðst.
2.1 Vaxtarkerfi [4]
CVD nýmyndun demanturs felur almennt í sér niðurbrot kolefnis-sem inniheldur forefni með því að nota orku í afoxandi andrúmslofti til að mynda atómvetni, sem auðveldar demantavöxt. Vaxtarferlið felur sérstaklega í sér eftirfarandi grunnþrep: (1) Forverinn (dæmdur með CH4) er settur inn í CVD reactor; (2) Loftkenndur forefnin er brotinn niður með orku (plasma eða varmaorka) í sindurefna (CₓHᵧ, osfrv.); (3) Sindurefni rekast hvert á annað þar til þeir ná yfirborði undirlagsins; (4) Sindurefni aðsogast á yfirborð undirlagsins; (5) Aðsoguðu sindurefnanna brotna niður til að mynda virkar kolefnistegundir og dreifast á yfirborðinu; (6) Virkar tegundir mynda tígulgrinduna; (7) Ó-virkar tegundir (eins og vetni) desogast frá yfirborðinu og mynda vetnissameindir eða aðrar- aukaafurðir; (8) Aukaafurðir -dreifast frá yfirborðinu í gegnum jaðarlagið og eru að lokum fjarlægðar með lausu gasflæðinu.
2.2 Undirbúningstækni
Frá því að CVD demantur kom fram á níunda áratugnum hafa vísindamenn framkvæmt viðvarandi ítarlegar-dýptar rannsóknir sem hafa leitt til þróunar á ýmsum CVD aðferðum [5]. Eins og er, eru tækni til að undirbúa demantafilmu með heitum þráðum CVD (HFCVD), örbylgjuofn plasma CVD (MPCVD) og jafnstraumsboga plasma jet CVD (DCPJCVD).
2.2.1 Hot Filament CVD (HFCVD)
Í HFCVD aðferðinni eru kolvetnislofttegundir eins og metan (CH₄) og asetýlen, ásamt vetni (H₂), settar inn í hvarfhólfið. Hitastig þráðar í hólfinu er yfir 2000 gráður og blandaða gasið er brotið niður við háan hita til að framleiða sp³ blendingar kolefnisróteindir sem eru nauðsynlegar fyrir demantamyndun, sem síðan mynda demantfilmu á yfirborði undirlagsins [6].
HFCVD aðferðin hefur kosti einfalds búnaðar, hás filmuútfellingarhraða, auðveldrar notkunar, litlum tilkostnaði og þroskaðrar tækni. Það hefur verið mikið notað í iðnaðarframleiðslu og er einnig ein helsta aðferðin til að útbúa örkristallaða demantshúð, nanókristallaða demantshúð og demant-líkt kolefnishúð [2]. Ókostir þess eru ma: heiti þráðurinn örvar ekki gasið að miklu leyti og þráðurinn sjálfur getur mengað demantfilmuna; þráðurinn er viðkvæmt fyrir aflögun við upphitun, sem dregur úr einsleitni lagðarfilmunnar; og þráðurinn hefur stuttan endingartíma, sem gerir hann óhæfan til langtíma-útfellingar á þykkum filmusýnum [7].
Eins og er eru rannsóknir á demantafilmugerð með HFCVD tiltölulega þroskaðar bæði innanlands og erlendis. Hins vegar er enn þörf á frekari könnun á því hvernig eigi að stilla ferlibreytur til að bæta gæði demantsfilmu [2]. Helstu breytur ferli eru meðal annars gasflæðishraða og hlutfall, hitastig þráðar, gerð undirlags og hitastig og þrýstingur í hvarfhólfinu.
2.2.2 Direct Current Arc Plasma Jet CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD aðferðin er einstök CVD demantavaxtartækni þróuð af kínverskum vísindamönnum [4]. Meginreglan þess er að nota há-afhleðslu jafnstraumsboga til að örva hvarfgas sem er aðallega samsett úr CH₄-H₂-Ar í plasma, sem síðan er kastað á miklum hraða á yfirborð undirlagsins og setur tígulfilmu [7].
Í samanburði við aðrar CVD útfellingaraðferðir, hefur DCPJCVD kosti hæsta útfellingarhraða, lága útskriftarspennu, hár útskriftarstraumur, hár jónunarstig, hár plasmaþéttleiki og stórt útfellingarsvæði. Hámarksútfellingarhraði þess getur náð 1000 μm/klst., sem gerir það hentugt til framleiðslu á stórum -demantafilmum. Það er eins og er fljótlegasta aðferðin til að búa til demantfilmur, en hún krefst umtalsverðrar búnaðarfjárfestingar, flókinnar vinnslu og enn þarf að bæta einsleitni kvikmyndarinnar [4].
Í Kína þróuðu og hreinsuðu vísinda- og tækniháskólinn í Peking og Hebei vísindaakademían í sameiningu þessa tækni [8]. Sem stendur eru demantafilmur unnar af DC arc plasma jet tækni í Kína á háþróaðri stigi hvað varðar gæði og flatarmál miðað við þær sem framleiddar eru með sömu aðferð erlendis, og tengdar demantfilmuvörur hafa þegar farið inn á alþjóðlegan markað í lausu sem ofurharð verkfæri.
2.2.3 Örbylgjuofn Plasma CVD (MPCVD)
Í MPCVD-aðferðinni til að undirbúa demantfilmu veldur hátíðni rafsegulsviðinu sem myndast af örbylgjusegulreind rafeindum til að sveiflast kröftuglega í lokuðu rými. Þessar rafeindir rekast harkalega á gassameindir og atóm í rýminu, jónar gasið og myndar virka róteindir eins og -CH₃ og H. Þessar virku tegundir gangast undir eðlisefnafræðileg viðbrögð, fara í átt að undirlaginu og síðan aðsogast, dreifa, kjarna og vaxa á yfirborði undirlagsfilmunnar, sem að lokum myndar demant [9].
Athyglisverð eiginleiki MPCVD er að örbylgjuofnsplasma getur náð stöðugri útskrift án rafskauta í gegnum hátíðni rafsviðið og þannig dregið úr sýnismengun. Að auki veldur örbylgjuofninn kröftugum gassveiflu, virkjar gasið í raun og myndar há-þéttleika plasma, sem gerir kleift að vaxa hágæða demantfilmur [10]. Erfiðleikarnir eru fólgnir í því að mynda stórt og einsleitt útfellingarsvæði, sem hefur áhrif á marga þætti, þar á meðal rafsviðsdreifingu í holrúmi, hitabreytingu undirlags, örbylgjuafli og dreifingu virkra rótefna. Þar að auki er útfellingarhraði demantsfilmu almennt lægri en DC-boga plasmaþota CVD [4].
Til að bæta upp fyrir lágt útfellingarhraða MPCVD hafa erlendir vísindamenn stöðugt aukið inntaksstyrk búnaðarins til að auka útfellingarhraða. Á áratuga þróun hefur aflið hækkað úr nokkur hundruð vöttum í næstum 100 kW, sem hefur verulega bætt útfellingarsvæði, útfellingarhraða og gæði demantsfilma. Innlendar rannsóknir á MPCVD demantaundirbúningi hófust tiltölulega seint, en með stöðugum rannsóknum og þróun hefur Kína að mestu fylgst með alþjóðlegum framförum, þó enn sé gjá í gæðum og viðskiptalegum umsóknum. Undanfarin 20 ár hafa innlend rannsóknarteymi einbeitt sér að resonator hönnun til að stunda stóra-þróaþróun á viðskiptademantum [11].
3 Umsóknir um Diamond Films
3.1 Optísk forrit
Demantsfilmur búa yfir framúrskarandi sjónrænum eiginleikum, þar á meðal mikilli sendingu, lágan brotstuðul og litla dreifingu. Þeir eru oft notaðir til að búa til sjónglugga, sjónlinsur og aðra íhluti, með framúrskarandi notkunarmöguleika á há-tæknisviðum eins og her, fjarskipta- og gervihnattatækni. Demantsfilmur hafa framúrskarandi eðlisefnafræðilega eiginleika, sérstaklega góða flutningsgetu frá útfjólubláu til fjar-innrauða og örbylgjuofnasviðsins. Þegar þeir eru notaðir fyrir sjónglugga geta þeir í raun forðast hitauppstreymi linsuáhrif, rigningarvef, sandrof og sjónskekkju. Auk þess eru demantsfilmur oft notaðar í röntgenglugga og grímur, röntgengeislunarmiða, sjónlinsur og önnur tæki [12].
3.2 Hitauppstreymi
Í fortíðinni hefur hár þéttleiki, mikið afl og lítið magn orðið áframhaldandi þróun í þróun rafeindatækja á sviði rafeindatækni. Hins vegar, með þessari þróun, mun hitinn sem myndast af íhlutum aukast verulega. CVD demantsfilmur hafa eiginleika sem eru sambærilegir við náttúrulega demant, sérstaklega afar lágan varmaþenslustuðul, ofur-há hitaleiðni og rafeinangrun. Þau eru tilvalin hitastigsefni og umbúðaefni, mikið notað í há-afls leysibúnaði, stórum-samþættum hringrásum, RF-aflstraumum, há-ljósgluggum og öðrum tækjum.
3.3 Hljóðfræðileg forrit
Með útbreiðslu hljóðbúnaðar hafa kröfur neytenda um gæði hátalara aukist jafnt og þétt. Samanborið við hefðbundin þindarefni eins og koltrefjar, keramik og beryllium, hafa demantsfilmur lægri þéttleika og hærri teygjustuðul. Á sama tíma geta kornamörkin í fjölkristalluðum demantsfilmum veitt fullkomna innri núning, sem gefur þeim yfirgripsmikla eiginleika sem eru mun betri en hefðbundin efni, sem gerir demantur að frábærum vali fyrir hátalaraþindir. Að auki er notkun háhljóðhraða miðla lykilleið til að auka notkunartíðni tækja. Demantur er sem stendur efnið með hæsta þekkta hljóðútbreiðsluhraða, sem getur bætt rekstrartíðni yfirborðshljóðbylgjubúnaðar (SAW) til muna, sem gerir kleift að umbreyta útvarpsmerkjum og vélrænum titringi og bjóða upp á víðtæka notkunarmöguleika á gervihnatta-, farsímasamskiptum og öðrum sviðum [10].
3.4 Rafmagnsnotkun
Vegna breitt bandbil demantsins, mikillar rafeinda- og holuhreyfanleika, mikils rafsviðs, lágs rafstuðuls, mikillar viðnáms og mikillar varmaleiðni, hentar hann mjög vel fyrir mjög samþætt hálfleiðaratæki sem starfa við háan hita, mikla hlutdrægni, mikið afl og mikla geislun. Þess vegna er búist við að demantur komi í stað sílikons sem tilvalið efni fyrir rafeindatæki sem verða að virka á áreiðanlegan hátt við erfiðar aðstæður eins og háan hita og geislunarþol.
3.5 Lífeðlisfræðileg forrit
Demantsfilmur sameina góðan lífsamhæfi, framúrskarandi vélræna eiginleika og efnafræðilegan stöðugleika, sem gerir þær mjög efnilegar næstu-lífefni. Yfirburða vélrænni eiginleikar þeirra og efnafræðilegur stöðugleiki geta dregið verulega úr sliti og rafefnafræðilegri tæringu á demantshúðuðum ígræðslum. Yfirborðsbreytanleiki, lífsamrýmanleiki og framúrskarandi rafleiðni eftir lyfjameðferð á CVD demantfilmum gera þær einnig að framúrskarandi stuðningi fyrir lífskynjara. Í samanburði við aðra stuðning bjóða lífskynjarar byggðir á demantfilmu undirlagi meiri stöðugleika, áreiðanleika og næmi.