Deimantas pasižymi puikiomis optinėmis, mechaninėmis, šiluminėmis ir kitomis savybėmis, suteikdamas jam plačias pritaikymo galimybes daugelyje sričių. Šiuo metu deimantų pramonė iš esmės keičiasi nuo „kietumo įrankių“ prie „funkcionalių medžiagų“. Atsižvelgiant į kristalų struktūros skirtumus, deimantą galima suskirstyti į vieną-kristalinį deimantą ir polikristalinį deimantą. Nors šios dvi medžiagos turi daug bendrų savybių, jų skirtingos mikrostruktūros lemia reikšmingus veikimo, gamybos metodų ir taikymo sričių skirtumus.
01 Kristalų struktūra: grūdelių ribos nustato pagrindinius skirtumus
Vienas{0}}kristalinis deimantas turi labai taisyklingą, beveik tobulą kristalų struktūrą. Atominėje skalėje anglies atomai turi griežtai sutvarkytą trimatį periodinį išsidėstymą su visa ir ištisine gardele. Kristalas yra sukurtas iš vieno branduolio, augančio kryptingai pagal specifines kristalografines orientacijas, be grūdelių ribos trukdžių per visą augimo procesą. Ši mikrostruktūra lemia tolygų ir simetrišką elektronų debesų pasiskirstymą, pastovią ir santykinai didelę ryšio energiją, taip užtikrinant aukštą makroskopinį fizinių savybių vienodumą.
Į polikristalinį deimantą galima žiūrėti kaip į polikristalinį agregatą, sudarytą iš daugybės mažų kristalitų. Jį sudaro daugybė nano-smulkių dalelių, sujungtų kartu. Šių dalelių kristalinė struktūra panaši į vieno -kristalinio deimanto, tačiau jos yra išsidėsčiusios netvarkingai, atsitiktinės orientacijos, sujungtos nesočiaisiais ryšiais su reikšmingomis grūdelių ribomis. Bendras struktūros vienodumas yra prastas, o defektų tankis yra palyginti didelis.
Dėl visos gardelės struktūros vienas{0}}kristalinis deimantas pasižymi tokiomis būdingomis savybėmis kaip didelis kietumas, geras optinis laidumas ir didelis šilumos laidumas. Dėl grūdelių ribų inžinerijos polikristalinis deimantas pasiekia didesnį atsparumą plyšimui, išlaikant daugumą aukščiau nurodytų būdingų savybių, taip pat suteikia pranašumų dėl didelio-ploto gamybos ir ekonomiškumo{3}}.
02 Skirtingi sintezės maršrutai Formos kristalo charakteristikos
Dabartiniai pagrindiniai deimantų gamybos metodai yra aukšto -slėgio aukšto-temperatūros (HPHT) metodas ir cheminio nusodinimo garais (CVD) metodas.
HPHT metodas imituoja natūralaus deimantų susidarymo aplinką giliai žemės plutoje. Išoriškai veikiant aukštą 5–7 GPa slėgį ir aukštą 1 300–1 700 laipsnių temperatūrą, katalizuojant metalo tirpiklius (pvz., Fe{5}} ir Ni{6}} lydinius), grafitas faziškai virsta deimantu.
Papuošalų srityje tai, ką vadiname „deimantu“, iš esmės yra vienas{0}}kristalinis deimantas, atitinkantis brangakmenių-optikos ir mechaninius kokybės reikalavimus. Daugiau nei 90 % laboratorijoje užaugintų deimantų gaminami HPHT metodu. Polikristalinis deimantas, susintetintas HPHT, pasižymi dideliu kietumu ir dideliu atsparumu dilimui, yra plačiai naudojamas pramonėje, pavyzdžiui, pjovimo įrankiai, grąžtai ir abrazyvai.
CVD metodas veikia esant žemam slėgiui (<27 kPa) and high temperature (800–1200°C). Through plasma excitation, carbon-containing gases (e.g., CH₄/H₂) are decomposed, allowing carbon atoms to deposit and grow on a substrate (such as silicon or diamond seed crystals) to form diamond.
Vieno -kristalinio deimanto CVD augimui deimantų sėklos yra būtinos kaip pradinis substratas. Sėkla suteikia konkrečią kristalografinę orientaciją ir augimo šabloną anglies atomų nusodinimui, užtikrinant, kad anglies atomai išsidėstę įprastoje vieno-kristalų tvarka, taip sudarydami aukštos-kokybės vieno-kristalų deimantą. Kita vertus, polikristaliniam deimantui keliami ne tokie griežti kristalografinės orientacijos ir struktūros vienodumo reikalavimai, todėl augimo krypčiai nustatyti nereikia sėklų. Augimo procesas apima tiesioginį anglies -turinčių dujų skaidymą ant substrato, kai anglies atomai atsitiktinai formuojasi ir auga, sudarydami polikristalinę struktūrą, kurią sudaro daug mažų grūdelių.
03 Diferencialinės ypatybės Įgalina įvairiapusius taikymo scenarijus
(1) Mechaniniai pritaikymai
Vienas{0}}kristalinis deimantas yra viena kiečiausiai žinomų natūralių medžiagų, kurios Moso kietumas yra 10 ir itin didelis atsparumas dilimui. Jo pjovimo briauna gali pasiekti atominio-lygio tiesumą ir ryškumą, leidžiantį atkartoti tobulą peilio būseną ant ruošinio ir gauti veidrodinį-panašų apdailą ir labai lygų. Jis tinka itin-plonam pjovimui ir itin-tiksliam apdirbimui.
Polikristalinio deimanto kietumas yra šiek tiek mažesnis nei vieno{0}}kristalinio deimanto, tačiau jis vis tiek pasižymi puikiu atsparumu dilimui. Be to, jo unikalus kietumas ir savaime{2}}galandimo savybė reiškia, kad šlifuojant ir poliruojant stambios dalelės skyla į smulkesnes daleles, nuolat atidengdamos naujas pjovimo briaunas. Tai ne tik užtikrina ruošinio paviršiaus poliravimo kokybę, bet ir pagerina šlifavimo efektyvumą, todėl jis labiau tinkamas šlifuoti ruošinius, sudarytus iš įvairaus kietumo medžiagų.
(2) Šilumos valdymo programos
Vieno-kristalinio deimanto šilumos laidumas yra iki 2200 W/(m·K), tačiau dėl didelių sąnaudų ir mažo dydžio jį galima naudoti kaip aukščiausios klasės -šilumos sklaidytuvus programose, kurioms taikomi itin aukšti šilumos išsklaidymo reikalavimai ir griežtas tikslumas, pvz., kariniams radarams ir kvantinių skaičiavimų lustams, užtikrinantiems tikslų ir greitą šilumos šalinimą įrenginio veikimo metu.
Vieno-kristaliniai (kairėje) ir polikristaliniai (dešinėje) deimantiniai šilumos skirstytuvai. Vaizdo šaltinis: Worldia
Dėl grūdėtumo ribų ir kitų veiksnių polikristalinis deimantas turi šiek tiek mažesnį šilumos laidumą nei vieno -kristalinio deimanto, bet vis tiek pasiekia ~2000 W/(m·K), o tai daugiau nei 5 kartus viršija įprastos substrato medžiagos SiC ir 13 kartų SiC. Jis taip pat turi pranašumų dėl gamybos efektyvumo ir medžiagų sąnaudų, palyginti su vieno krištolinio -deimantu. Galios puslaidininkiniuose įrenginiuose, pvz., IGBT moduliuose, jis gali būti naudojamas kaip šilumą išsklaidantis substratas, glaudžiai pritvirtintas prie lusto galo, kad efektyviai pašalintų šilumą. Didelės-galios LED apšvietime jis naudojamas kaip šilumos sklaidiklis arba pakavimo medžiaga, siekiant sumažinti šviesos slopinimą ir pailginti lempos tarnavimo laiką. Jis taip pat naudojamas kaip lazerinių diodų aušintuvas, padedantis pagerinti lazerio išėjimo galią ir stabilumą.
Šių metų vasarį „Huanghe Whirlwind“ oficialiai pristatė 8{{2} colių polikristalinių deimantinių šilumos skleistuvų gamybos liniją, o tai žymi kritinį perėjimą nuo laboratorinių technologijų prie masinės gamybos. Neseniai „Huifeng Diamond“ taip pat paskelbė apie stabilią aukštos kokybės 8 colių CVD polikristalinių deimantų šilumos skirstytuvų gamybą. Didėjant matmenims, iš to paties pagrindo galima išpjauti daugiau šilumos sklaidytuvų, todėl pagerėja medžiagų panaudojimas, mažėja vieneto gamybos sąnaudos ir toliau atitinka pažangius puslaidininkių pakavimo ir serijinės gamybos reikalavimus.
(3) Optinės programos
Deimantas yra ne tik puikus šilumos laidininkas; dėl savo optinių savybių jis taip pat labai vertingas optiniame lauke. Vieno-kristalinio deimanto lūžio rodiklis ir ypač mažas sugerties koeficientas, todėl šviesos praradimas perdavimo metu yra minimalus. Nupoliruotas jis gali būti naudojamas infraraudonųjų spindulių optiniams langams, aukščiausios klasės-mikroskopų objektyvams ir kt. Aukštos-kokybės vieno-kristalinio deimantas, pagamintas naudojant CVD, gali būti visiškai bespalvis ir skaidrus, puikiai pralaidus ultravioletiniams spinduliams iki infraraudonųjų spindulių ir net mikrobangų diapazono. Polikristalinis deimantas kenčia nuo riboto optinio vienodumo dėl grūdelių ribų sklaidos, tačiau specialiai optimizavus procesą, kad būtų galima kontroliuoti grūdelių dydį ir sumažinti grūdelių-ribų poveikį, jis gali būti naudojamas srityse, kuriose yra priimtinas jautrumas sąnaudoms ir santykinai nedideli optinio tikslumo reikalavimai, pvz., tam tikri apšvietimo ir ekrano įrenginiai.