1 Įvadas
Deimantas pasižymi puikiomis mechaninėmis, optinėmis, šiluminėmis ir elektrinėmis savybėmis, todėl tai yra tipiška daugiafunkcė medžiaga, turinti platų pritaikymo perspektyvą daugelyje aukštųjų -technologijų sričių, pvz., aviacijos, energijos, intelektualių jutiklių ir tikslaus apdirbimo [1]. Didėjant deimantų paklausai, natūralių deimantų atsargos yra ribotos ir itin brangios, o tai negali patenkinti augančių socialinių poreikių. Todėl mokslininkai nuolat tiria naujus dirbtinio deimantų sintezės metodus.
Pagrindiniai sintetinio deimantų paruošimo metodai yra aukšto{0}}slėgio aukšto{1} temperatūros (HPHT) metodas ir cheminis nusodinimas garais (CVD). HPHT metodu susintetintos deimantų dalelės dažniausiai yra mažo dydžio, jose dažnai būna daug katalizatorių priemaišų. Taigi jų taikymo sritis yra apribota, visų pirma abrazyvai ir įrankiai (pvz., polikristalinis deimantas, PCD) [2]. Pastaraisiais metais cheminio nusodinimo garais (CVD) technologija tapo daug žadanti mokslinių tyrimų vieta. CVD paruošti deimantiniai kristalai turi savo grūdelių dydį ir kristalų formą, artimiausią natūralaus deimantui, ir pasižymi puikiomis savybėmis [3].
2 Deimantinių plėvelių paruošimas CVD
CVD metodas yra pagrindinė plonų plėvelių paruošimo cheminėmis priemonėmis technologija. Jis buvo plačiai naudojamas ruošiant įvairias plonasluoksnes medžiagas, taip pat yra svarbus deimantų plėvelių gamybos būdas. Pastaraisiais metais deimantinės plėvelės sintezės CVD būdu tyrimai sparčiai tobulėjo, o dabar pasiekta didelio masto gamybos ir pritaikymo galimybių.
2.1 Augimo mechanizmas [4]
Deimantų CVD sintezė paprastai apima anglies{0}}sudėtyje esančių pirmtakų skaidymą, naudojant energiją redukuojančioje atmosferoje, kad susidarytų atominis vandenilis, o tai palengvina deimantų augimą. Auginimo procesas konkrečiai apima šiuos pagrindinius etapus: (1) pirmtakas (pavyzdžiui, CH4) įvedamas į CVD reaktorių; (2) Dujų pirmtakas energijos (plazmos arba šiluminės energijos) dėka skaidomas į laisvuosius radikalus (CₓHᵧ ir kt.); (3) Laisvieji radikalai susiduria vienas su kitu, kol pasiekia substrato paviršių; (4) Laisvieji radikalai adsorbuojasi ant pagrindo paviršiaus; (5) Adsorbuoti laisvieji radikalai suyra, sudarydami aktyviąsias anglies rūšis ir pasklinda paviršiuje; (6) Aktyvios rūšys sudaro deimantų gardelę; (7) Ne{10}}aktyvios medžiagos (pvz., vandenilis) desorbuojasi nuo paviršiaus, sudarydamos vandenilio molekules ar kitus šalutinius produktus; (8) Šalutiniai produktai pasklinda nuo paviršiaus per ribinį sluoksnį ir galiausiai juos pašalina masinis dujų srautas.
2.2 Paruošimo būdai
Devintajame dešimtmetyje, kai atsirado deimantų CVD preparatas, mokslininkai atliko ilgalaikius{1}}nuodugnius tyrimus, kurių dėka buvo sukurti įvairūs ŠKL metodai [5]. Šiuo metu brandžios deimantinės plėvelės paruošimo būdai apima karšto gijų CVD (HFCVD), mikrobangų plazmos CVD (MPCVD) ir nuolatinės srovės lanko plazmos srovės CVD (DCPJCVD).
2.2.1 Karšto gijų CVD (HFCVD)
Taikant HFCVD metodą, į reakcijos kamerą įvedamos angliavandenilių dujos, tokios kaip metanas (CH₂) ir acetilenas, kartu su vandeniliu (H₂). Kaitinamojo siūlelio temperatūra kameroje yra aukštesnė nei 2000 laipsnių, o sumaišytos dujos suyra aukštoje temperatūroje, kad susidarytų sp3 hibridizuoti anglies radikalai, reikalingi deimantų sintezei, kurie vėliau sudaro deimantinę plėvelę ant pagrindo paviršiaus [6].
HFCVD metodo privalumai yra paprasta įranga, didelis plėvelės nusodinimo greitis, paprastas valdymas, maža kaina ir brandi technologija. Jis buvo plačiai naudojamas pramoninėje gamyboje ir taip pat yra vienas iš pagrindinių mikrokristalinių deimantinių dangų, nanokristalinių deimantų dangų ir deimantų -kaip anglies dangų [2]. Jo trūkumai yra šie: karštas siūlas labai nesužadina dujų, o pats siūlas gali užteršti deimantinę plėvelę; kaitinamasis siūlas yra linkęs deformuotis kaitinant, o tai pablogina nusodintos plėvelės vienodumą; o gijos tarnavimo laikas yra trumpas, todėl jis netinkamas ilgalaikiam- storų plėvelių mėginių nusodinimui [7].
Šiuo metu deimantinės plėvelės paruošimo naudojant HFCVD tyrimai yra gana brandūs tiek šalies viduje, tiek tarptautiniu mastu. Tačiau dar reikia toliau tirti, kaip pakoreguoti proceso parametrus, siekiant pagerinti deimantinės plėvelės kokybę [2]. Pagrindiniai proceso parametrai apima dujų srautą ir santykį, kaitinimo siūlelio temperatūrą, substrato tipą ir temperatūrą bei reakcijos kameros slėgį.
2.2.2 Nuolatinės srovės lankinis plazminis reaktyvinis CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD metodas yra unikali CVD deimantų auginimo technika, sukurta Kinijos mokslininkų [4]. Jo principas yra naudoti didelės -galios nuolatinės srovės lankinį išlydį, kad sužadintų reakcijos dujas, daugiausia sudarytas iš CH₄-H₂-Ar, į plazmą, kuri po to dideliu greičiu išstumiama ant pagrindo paviršiaus, nusodinant deimantinę plėvelę [7].
Palyginti su kitais CVD nusodinimo būdais, DCPJCVD turi didžiausio nusodinimo greičio, mažos iškrovos įtampos, didelės iškrovos srovės, didelio jonizacijos laipsnio, didelio plazmos tankio ir didelio nusodinimo ploto privalumus. Didžiausias jo nusodinimo greitis gali siekti 1000 μm/h, todėl jis tinkamas didelio ploto -deimantų plėvelėms gaminti. Šiuo metu tai greičiausias deimantų plėvelių sintezės būdas, tačiau tam reikia didelių investicijų į įrangą, sudėtingo apdorojimo, o plėvelės vienodumą dar reikia tobulinti [4].
Kinijoje Pekino mokslo ir technologijų universitetas ir Hebėjaus mokslų akademija kartu sukūrė ir patobulino šią technologiją [8]. Šiuo metu Kinijoje deimantinės plėvelės, paruoštos taikant nuolatinės srovės lankinio plazminio srauto technologiją, yra aukštesnio lygio kokybės ir ploto požiūriu, palyginti su tomis, kurios tuo pačiu būdu gaminamos užsienyje, o susiję deimantinės plėvelės gaminiai jau pateko į tarptautinę rinką kaip itin kietos įrankių medžiagos.
2.2.3 Mikrobangų plazminis CVD (MPCVD)
Taikant deimantinės plėvelės paruošimo MPCVD metodą, didelio{0}}dažnio elektromagnetinis laukas, kurį sukuria mikrobangų magnetronas, priverčia elektronus stipriai svyruoti uždaroje erdvėje. Šie elektronai intensyviai susiduria su dujų molekulėmis ir atomais erdvėje, jonizuodami dujas ir generuodami aktyvius radikalus, tokius kaip -CH₃ ir H. Šios aktyvios rūšys vyksta fizikinėmis ir cheminėmis reakcijomis, juda substrato link, o tada adsorbuojasi, difunduoja, formuojasi branduoliais ir auga ant substrato paviršiaus, galiausiai [9] sudarydamos deimantinę plėvelę.
Svarbus MPCVD bruožas yra tai, kad mikrobangų plazma gali pasiekti stabilų išlydį be elektrodų, naudojant aukšto -dažnio elektrinį lauką, taip sumažinant mėginio užteršimą. Be to, mikrobangų krosnelė sukelia stiprius dujų virpesius, efektyviai suaktyvindama dujas ir generuodama didelio -tankio plazmą, kuri leidžia augti aukštos-kokybės deimantų plėvelėms [10]. Sunkumas kyla dėl didelio ir vienodo nusodinimo ploto formavimo, kurį veikia daugelis veiksnių, įskaitant elektrinio lauko pasiskirstymą ertmėje, substrato temperatūros pokyčius, mikrobangų galią ir aktyvių radikalų pasiskirstymą. Be to, deimantinės plėvelės nusodinimo greitis paprastai yra mažesnis nei nuolatinės srovės lanko plazmos srovės CVD [4].
Norėdami kompensuoti mažą MPCVD nusėdimo greitį, užsienio mokslininkai nuolat didino įrangos įvesties galią, kad padidintų nusodinimo greitį. Per dešimtmečius trukusią plėtrą galia išaugo nuo kelių šimtų vatų iki beveik 100 kW, o tai žymiai pagerino deimantinių plėvelių nusodinimo plotą, nusodinimo greitį ir kokybę. Vietiniai MPCVD deimantų paruošimo tyrimai pradėti palyginti vėlai, tačiau nuolatiniai moksliniai tyrimai ir plėtra Kinija iš esmės žengė koja kojon su tarptautine pažanga, nors kokybės ir komercinio pritaikymo spragų išlieka. Per pastaruosius 20 metų vietinės tyrimų grupės daugiausia dėmesio skyrė rezonatorių projektavimui, siekdamos didelio masto komercinių deimantų kūrimo [11].
3 Deimantinių plėvelių pritaikymas
3.1 Optinės programos
Deimantinės plėvelės pasižymi puikiomis optinėmis savybėmis, įskaitant didelį pralaidumą, mažą lūžio rodiklį ir mažą sklaidą. Jie dažnai naudojami optiniams langams, optiniams lęšiams ir kitiems komponentams gaminti, turint puikių pritaikymo galimybių aukštųjų technologijų srityse, pvz., karinės, ryšių ir palydovinės technologijos. Deimantinės plėvelės pasižymi puikiomis fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis, ypač gerai praleidžia ultravioletinius spindulius į tolimus infraraudonųjų spindulių ir mikrobangų diapazonus. Kai naudojami optiniams langams, jie gali veiksmingai išvengti šiluminių lęšių efektų, lietaus erozijos, smėlio erozijos ir optinio iškraipymo. Be to, deimantinės plėvelės dažnai naudojamos rentgeno languose ir kaukėse, rentgeno spindulių perdavimo taikiniuose, optiniuose lęšiuose ir kituose įrenginiuose [12].
3.2 Šiluminis pritaikymas
Anksčiau didelis tankis, didelė galia ir mažas tūris tapo nuolatinėmis elektroninių prietaisų kūrimo tendencijomis mikroelektronikos srityje. Tačiau dėl šios tendencijos komponentų generuojama šiluma labai padidės. CVD deimantų plėvelių savybės yra panašios į natūralaus deimantų savybes, ypač pasižymi ypač mažu šiluminio plėtimosi koeficientu, ypač dideliu šilumos laidumu ir elektros izoliacija. Tai idealios šilumnešio ir pakavimo medžiagos, plačiai naudojamos didelės-galios lazeriniuose įrenginiuose, didelio masto-integriniuose grandynuose, RF galios tranzistoriuose, didelės-galios optiniuose languose ir kituose įrenginiuose.
3.3 Akustinės programos
Plačiai pritaikius garso įrangą, vartotojų reikalavimai garsiakalbių kokybei nuolat auga. Palyginti su tradicinėmis diafragminėmis medžiagomis, tokiomis kaip anglies pluoštas, keramika ir berilis, deimantinės plėvelės turi mažesnį tankį ir didesnį elastingumo modulį. Tuo pačiu metu polikristalinių deimantų plėvelių grūdelių ribos gali užtikrinti idealią vidinę trintį, suteikdamos joms visapusiškas savybes, daug pranašesnes už tradicinių medžiagų savybes, todėl deimantas yra puikus pasirinkimas garsiakalbių diafragmoms. Be to, didelio akustinio greičio terpės naudojimas yra pagrindinė priemonė prietaisų veikimo dažniui padidinti. Šiuo metu deimantas yra medžiaga, turinti didžiausią žinomą akustinio sklidimo greitį, galinti labai pagerinti paviršinių akustinių bangų (SAW) įrenginių veikimo dažnį, įgalindama RF signalų ir mechaninių virpesių tarpusavio konvertavimą bei plačias taikymo perspektyvas palydoviniame, mobiliajame ryšyje ir kitose srityse [10].
3.4 Elektros taikymas
Dėl plataus deimanto juostos tarpo, didelio elektronų ir skylių mobilumo, didelio suskaidymo elektrinio lauko, mažos dielektrinės konstantos, didelės varžos ir didelio šilumos laidumo, jis puikiai tinka labai integruotiems puslaidininkiniams įrenginiams, veikiantiems aukštoje temperatūroje, dideliame poslinkyje, didelės galios ir didelės spinduliuotės sąlygomis. Todėl tikimasi, kad deimantas pakeis silicį kaip idealią medžiagą elektroniniams prietaisams, kurie turi patikimai veikti atšiauriomis sąlygomis, pavyzdžiui, aukšta temperatūra ir atsparumas radiacijai.
3.5 Biomedicinos taikymas
Deimantinės plėvelės derina gerą biologinį suderinamumą, puikias mechanines savybes ir cheminį stabilumą, todėl jos yra daug žadančios naujos kartos{0}}biomedžiagos. Dėl puikių mechaninių savybių ir cheminio stabilumo galima labai sumažinti deimantais dengtų implantų susidėvėjimą ir elektrocheminę koroziją. Dėl CVD deimantinių plėvelių paviršiaus modifikavimo, biologinio suderinamumo ir puikaus elektrinio laidumo, jie taip pat yra puiki biojutiklio atrama. Palyginti su kitomis atramomis, biojutikliai, kurių pagrindą sudaro deimantinės plėvelės, užtikrina didesnį stabilumą, patikimumą ir jautrumą.