1 Ievads
Dimantam piemīt izcilas mehāniskās, optiskās, termiskās un elektriskās īpašības, kas padara to par tipisku daudzfunkcionālu materiālu ar plašām pielietojuma perspektīvām daudzās augsto tehnoloģiju jomās, piemēram, aviācijā, enerģētikā, viedos sensoros un precīzajā apstrādē [1]. Pieaugot pieprasījumam pēc dimanta, dabisko dimantu rezerves ir ierobežotas un ārkārtīgi dārgas, kas nespēj apmierināt pieaugošās sociālās vajadzības. Tāpēc pētnieki ir nepārtraukti pētījuši jaunas metodes dimantu mākslīgai sintezēšanai.
Galvenās sintētiskā dimanta sagatavošanas metodes ir augstspiediena augsta temperatūras (HPHT) metode un ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD). Ar HPHT metodi sintezētās dimanta daļiņas lielākoties ir maza izmēra un bieži satur lielu daudzumu katalizatora piemaisījumu. Tādējādi to pielietojuma joma ir ierobežota, galvenokārt abrazīviem līdzekļiem un instrumentiem (piemēram, polikristāliskam dimantam, PCD) [2]. Pēdējos gados ķīmiskā tvaiku pārklāšanas (CVD) tehnoloģija ir kļuvusi par ļoti daudzsološu pētniecības vietu. CVD sagatavotajiem dimanta kristāliem ir graudu izmēri un kristālu forma, kas ir vistuvākā dabīgā dimanta izmēram, un tiem piemīt lieliskas īpašības [3].
2 Dimanta plēvju sagatavošana ar CVD
CVD metode ir galvenā tehnoloģija plānu kārtiņu sagatavošanai ar ķīmiskiem līdzekļiem. Tas ir plaši izmantots dažādu plānu plēvju materiālu sagatavošanā, kā arī ir svarīga metode dimanta plēvju ražošanā. Pēdējos gados pētījumi par dimanta plēvju sintēzi, izmantojot CVD, ir strauji progresējuši, un tagad ir sasniegtas liela mēroga ražošanas un pielietošanas iespējas.
2.1. Izaugsmes mehānisms [4]
Dimanta CVD sintēze parasti ietver oglekli{0}}saturošu prekursoru sadalīšanu, izmantojot enerģiju reducējošā atmosfērā, lai radītu atomu ūdeņradi, kas veicina dimantu augšanu. Augšanas process īpaši ietver šādus pamata posmus: (1) prekursoru (par piemēru CH4) ievada CVD reaktorā; (2) gāzveida prekursoru sadala enerģija (plazma vai siltumenerģija) brīvajos radikāļos (CₓHᵧ utt.); (3) Brīvie radikāļi saduras viens ar otru, līdz tie sasniedz substrāta virsmu; (4) Brīvie radikāļi adsorbējas uz substrāta virsmas; (5) Adsorbētie brīvie radikāļi sadalās, veidojot aktīvās oglekļa sugas un izkliedējas uz virsmas; (6) Aktīvās sugas veido dimanta režģi; (7) neaktīvās vielas (piemēram, ūdeņradis) desorbējas no virsmas, veidojot ūdeņraža molekulas vai citus blakusproduktus; (8) Blakusprodukti izkliedējas prom no virsmas caur robežslāni un galu galā tiek noņemti ar lielapjoma gāzes plūsmu.
2.2. Sagatavošanas metodes
Kopš CVD dimantu sagatavošanas parādīšanās 1980. gados pētnieki ir veikuši ilgstošus-padziļinātus pētījumus, kā rezultātā ir izstrādātas dažādas CVD metodes [5]. Pašlaik nobriedušas dimanta plēves sagatavošanas metodes ietver karsto pavedienu CVD (HFCVD), mikroviļņu plazmas CVD (MPCVD) un līdzstrāvas loka plazmas strūklas CVD (DCPJCVD).
2.2.1. Karstā pavediena CVD (HFCVD)
Izmantojot HFCVD metodi, reakcijas kamerā tiek ievadītas ogļūdeņraža gāzes, piemēram, metāns (CH4) un acetilēns, kopā ar ūdeņradi (H₂). Kvēldiega temperatūra kamerā ir virs 2000 grādiem, un jauktā gāze augstā temperatūrā sadalās, veidojot sp³ hibridizētus oglekļa radikāļus, kas nepieciešami dimanta sintēzei, kas pēc tam veido dimanta plēvi uz substrāta virsmas [6].
HFCVD metodei ir vienkāršas iekārtas, augsts plēves nogulsnēšanas ātrums, vienkārša darbība, zemas izmaksas un nobriedušas tehnoloģijas priekšrocības. To plaši izmanto rūpnieciskajā ražošanā, un tā ir arī viena no galvenajām metodēm mikrokristālisko dimanta pārklājumu, nanokristālisko dimanta pārklājumu un dimantiem līdzīgu oglekļa pārklājumu pagatavošanai [2]. Tā trūkumi ir šādi: karstais kvēldiegs neizraisa gāzi lielā mērā, un pats kvēldiegs var piesārņot dimanta plēvi; kvēldiegs karsēšanas laikā ir pakļauts deformācijai, kas pasliktina nogulsnētās plēves viendabīgumu; un kvēldiegam ir īss kalpošanas laiks, tāpēc tas nav piemērots ilgstošai- biezu plēvju paraugu nogulsnēšanai [7].
Pašlaik pētījumi par dimanta plēves sagatavošanu, izmantojot HFCVD, ir salīdzinoši nobrieduši gan vietējā, gan starptautiskā mērogā. Tomēr joprojām ir jāturpina pētīt, kā pielāgot procesa parametrus, lai uzlabotu dimanta plēves kvalitāti [2]. Galvenie procesa parametri ietver gāzes plūsmas ātrumu un attiecību, kvēldiega temperatūru, substrāta veidu un temperatūru, kā arī spiedienu reakcijas kamerā.
2.2.2. Līdzstrāvas loka plazmas strūklas CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD metode ir unikāla CVD dimantu audzēšanas metode, ko izstrādājuši Ķīnas pētnieki [4]. Tās princips ir izmantot lielas -jaudas līdzstrāvas loka izlādi, lai ierosinātu reakcijas gāzi, kas galvenokārt sastāv no CH₄-H₂-Ar, plazmā, kas pēc tam lielā ātrumā tiek izmesta uz substrāta virsmas, uzklājot dimanta plēvi [7].
Salīdzinot ar citām CVD nogulsnēšanas metodēm, DCPJCVD priekšrocības ir augstākais nogulsnēšanās ātrums, zems izlādes spriegums, augsta izlādes strāva, augsta jonizācijas pakāpe, augsts plazmas blīvums un liels nogulsnēšanas laukums. Tā maksimālais nogulsnēšanās ātrums var sasniegt 1000 μm/h, tāpēc tas ir piemērots liela izmēra -dimanta plēvju ražošanai. Šobrīd tā ir ātrākā dimanta plēvju sintezēšanas metode, taču tai ir nepieciešami ievērojami iekārtu ieguldījumi, sarežģīta apstrāde, un plēves viendabīgums vēl ir jāuzlabo [4].
Ķīnā Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitāte un Hebei Zinātņu akadēmija kopīgi izstrādāja un pilnveidoja šo tehnoloģiju [8]. Pašlaik Ķīnā ar līdzstrāvas loka plazmas strūklas tehnoloģiju sagatavotās dimanta plēves kvalitātes un platības ziņā ir augstākā līmenī, salīdzinot ar tām, kas ražotas ar tādu pašu metodi ārvalstīs, un saistītie dimanta plēvju izstrādājumi jau ir nonākuši starptautiskajā tirgū vairumā kā īpaši cieto instrumentu materiāli.
2.2.3. Mikroviļņu plazmas CVD (MPCVD)
Izmantojot MPCVD metodi dimanta plēves sagatavošanai, augstfrekvences elektromagnētiskais lauks, ko rada mikroviļņu magnetrons, izraisa elektronu spēcīgu svārstību slēgtā telpā. Šie elektroni intensīvi saduras ar gāzes molekulām un atomiem telpā, jonizējot gāzi un radot aktīvus radikāļus, piemēram, -CH₃ un H. Šīs aktīvās sugas iziet fizikāli ķīmiskās reakcijas, virzās uz substrātu un pēc tam adsorbējas, izkliedējas, veido kodolu un aug uz substrāta virsmas, galu galā iegūstot dimanta plēvi.
Ievērojama MPCVD iezīme ir tā, ka mikroviļņu plazma var panākt stabilu izlādi bez elektrodiem, izmantojot augstfrekvences elektrisko lauku, tādējādi samazinot parauga piesārņojumu. Turklāt mikroviļņi izraisa spēcīgas gāzes svārstības, efektīvi aktivizējot gāzi un radot augsta blīvuma plazmu, kas ļauj augt augstas kvalitātes dimanta plēvēm [10]. Grūtības ir lielas un vienmērīgas nogulsnēšanās zonas veidošanā, ko ietekmē daudzi faktori, tostarp elektriskā lauka sadalījums dobumā, substrāta temperatūras izmaiņas, mikroviļņu jauda un aktīvo radikāļu sadalījums. Turklāt dimanta plēves nogulsnēšanās ātrums parasti ir zemāks nekā līdzstrāvas loka plazmas strūklas CVD [4].
Lai kompensētu MPCVD zemo nogulsnēšanās ātrumu, ārvalstu pētnieki ir nepārtraukti palielinājuši iekārtas ievades jaudu, lai uzlabotu nogulsnēšanās ātrumu. Vairāku gadu desmitu laikā jauda ir pieaugusi no dažiem simtiem vatu līdz gandrīz 100 kW, ievērojami uzlabojot dimanta plēvju nogulsnēšanas laukumu, nogulsnēšanās ātrumu un kvalitāti. Iekšzemes pētījumi par MPCVD dimantu sagatavošanu sākās salīdzinoši vēlu, taču, nepārtraukti pētot un attīstot, Ķīna lielā mērā ir gājusi kopsolī ar starptautisko progresu, lai gan joprojām pastāv trūkumi kvalitātes un komerciālā lietojuma jomā. Pēdējo 20 gadu laikā vietējās pētniecības grupas ir koncentrējušās uz rezonatoru dizainu, lai īstenotu liela mēroga komerciālu dimantu izstrādi [11].
3 Dimanta plēvju pielietojumi
3.1. Optiskās lietojumprogrammas
Dimanta plēvēm ir lieliskas optiskās īpašības, tostarp augsta caurlaidība, zems laušanas koeficients un zema izkliede. Tos bieži izmanto optisko logu, optisko lēcu un citu komponentu izgatavošanai ar izcilām pielietojuma perspektīvām augsto tehnoloģiju jomās, piemēram, militārajā, sakaru un satelīttehnoloģijā. Dimanta plēvēm ir lieliskas fizikāli ķīmiskās īpašības, īpaši laba ultravioletā starojuma caurlaidība tālu -infrasarkanajā un mikroviļņu diapazonā. Ja tos izmanto optiskajiem logiem, tie var efektīvi izvairīties no termisko lēcu efektiem, lietus erozijas, smilšu erozijas un optiskiem traucējumiem. Turklāt dimanta plēves bieži izmanto rentgena logos un maskās, rentgenstaru pārraides mērķos, optiskajās lēcās un citās ierīcēs [12].
3.2. Termiskie pielietojumi
Agrāk liels blīvums, liela jauda un mazs apjoms ir kļuvušas par pastāvīgām tendencēm elektronisko ierīču attīstībā mikroelektronikas jomā. Tomēr ar šo tendenci komponentu radītais siltums ievērojami palielināsies. CVD dimanta plēvēm ir īpašības, kas salīdzināmas ar dabīgā dimanta īpašībām, jo īpaši ārkārtīgi zems termiskās izplešanās koeficients, īpaši augsta siltumvadītspēja un elektriskā izolācija. Tie ir ideāli siltuma izlietnes materiāli un iepakojuma materiāli, ko plaši izmanto lieljaudas-lāzerierīcēs, liela mēroga-integrālajās shēmās, RF jaudas tranzistoros, lieljaudas-optiskos logos un citās ierīcēs.
3.3. Akustiskie pielietojumi
Plaši ieviešot audio aprīkojumu, patērētāju prasības pēc skaļruņu kvalitātes ir nepārtraukti pieaugušas. Salīdzinot ar tradicionālajiem diafragmas materiāliem, piemēram, oglekļa šķiedru, keramiku un beriliju, dimanta plēvēm ir mazāks blīvums un augstāks elastības modulis. Tajā pašā laikā graudu robežas polikristāliskajās dimanta plēvēs var nodrošināt ideālu iekšējo berzi, piešķirot tām visaptverošas īpašības, kas ir daudz labākas par tradicionālajiem materiāliem, padarot dimantu par lielisku izvēli skaļruņu diafragmām. Turklāt liela akustiskā ātruma mediju izmantošana ir galvenais līdzeklis, lai palielinātu ierīču darbības frekvenci. Dimants pašlaik ir materiāls ar lielāko zināmo akustiskās izplatīšanās ātrumu, kas var ievērojami uzlabot virsmas akustisko viļņu (SAW) ierīču darbības frekvenci, ļaujot savstarpēji pārveidot RF signālus un mehāniskās vibrācijas, kā arī piedāvā plašas pielietojuma iespējas satelītu, mobilo sakaru un citās jomās [10].
3.4. Elektriskie lietojumi
Pateicoties dimanta plašajai joslas atstarpei, lielai elektronu un caurumu mobilitātei, lielam sabrukšanas elektriskajam laukam, zemai dielektriskajai konstantei, lielai pretestībai un augstai siltumvadītspējai, tas ir ļoti piemērots ļoti integrētām pusvadītāju ierīcēm, kas darbojas augstā temperatūrā, lielas novirzes, lielas jaudas un augsta starojuma apstākļos. Tāpēc sagaidāms, ka dimants aizstās silīciju kā ideālu materiālu elektroniskām ierīcēm, kurām jādarbojas uzticami skarbos apstākļos, piemēram, augstā temperatūrā un pretestībā pret radiāciju.
3.5. Biomedicīnas lietojumi
Dimanta plēvēs ir apvienota laba bioloģiskā saderība, lieliskas mehāniskās īpašības un ķīmiskā stabilitāte, padarot tās par ļoti daudzsološiem nākamās{0}}paaudzes biomateriāliem. To izcilās mehāniskās īpašības un ķīmiskā stabilitāte var ievērojami samazināt dimanta-pārklāto implantu nodilumu un elektroķīmisko koroziju. Virsmas modificējamība, bioloģiskā savietojamība un lieliskā elektrovadītspēja pēc CVD dimanta plēvju dopinga padara tās arī par lieliskiem biosensoru balstiem. Salīdzinot ar citiem balstiem, biosensori, kuru pamatā ir dimanta plēves substrāti, nodrošina augstāku stabilitāti, uzticamību un jutīgumu.