1 Introduksjon
Diamond har utmerkede mekaniske, optiske, termiske og elektriske egenskaper, noe som gjør det til et typisk multifunksjonelt materiale med brede bruksmuligheter innen mange høyteknologiske felter som romfart, energi, intelligente sensorer og presisjonsmaskinering [1]. Med den økende etterspørselen etter diamant, er naturlige diamantreserver begrensede og ekstremt dyre, som ikke kan møte de økende sosiale behovene. Derfor har forskere kontinuerlig utforsket nye metoder for å syntetisere diamant kunstig.
Hovedmetodene for fremstilling av syntetisk diamant er høy-høytrykks-temperaturmetoden (HPHT) og kjemisk dampavsetning (CVD). Diamantpartikler syntetisert ved HPHT-metoden er for det meste små i størrelse og inneholder ofte en stor mengde katalysatorurenheter. Derfor er deres anvendelsesområde begrenset, først og fremst til slipemidler og verktøy (f.eks. polykrystallinsk diamant, PCD) [2]. De siste årene har teknologi for kjemisk dampavsetning (CVD) dukket opp som et svært lovende forskningshotspot. Diamantkrystaller fremstilt av CVD har kornstørrelser og krystallformer nærmest de av naturlig diamant og viser utmerkede egenskaper [3].
2 Forberedelse av diamantfilmer av CVD
CVD-metoden er en nøkkelteknologi for fremstilling av tynne filmer med kjemiske midler. Det har blitt mye brukt i fremstillingen av forskjellige tynnfilmmaterialer og er også en viktig metode for å produsere diamantfilmer. De siste årene har forskning på diamantfilmsyntese ved hjelp av CVD utviklet seg raskt, og storskala produksjon og applikasjonsmuligheter er nå oppnådd.
2.1 Vekstmekanisme [4]
CVD-syntese av diamant involverer vanligvis nedbryting av karbon-inneholdende forløpere ved å bruke energi i en reduserende atmosfære for å generere atomært hydrogen, noe som letter diamantvekst. Vekstprosessen innbefatter spesifikt de følgende grunnleggende trinn: (1) Forløperen (eksempelt ved CH4) innføres i CVD-reaktoren; (2) Den gassformige forløperen dekomponeres av energi (plasma eller termisk energi) til frie radikaler (CₓHᵧ, etc.); (3) Frie radikaler kolliderer med hverandre til de når substratoverflaten; (4) Frie radikaler adsorberer på substratoverflaten; (5) De adsorberte frie radikalene dekomponerer for å danne aktive karbontyper og diffunderer på overflaten; (6) Aktive arter danner diamantgitteret; (7) Ikke-aktive arter (som hydrogen) desorberer fra overflaten og danner hydrogenmolekyler eller andre{11}}biprodukter; (8) Biprodukter diffunderer bort fra overflaten gjennom grenselaget og fjernes til slutt av bulkgasstrømmen.
2.2 Forberedelsesteknikker
Siden fremveksten av CVD-diamantpreparering på 1980-tallet har forskere utført vedvarende-dybdestudier, som har ført til utviklingen av ulike CVD-metoder [5]. For tiden inkluderer teknikker for fremstilling av moden diamantfilm varm filament-CVD (HFCVD), mikrobølgeplasma-CVD (MPCVD) og likestrømbue-plasmajet-CVD (DCPJCVD).
2.2.1 Hot Filament CVD (HFCVD)
I HFCVD-metoden blir hydrokarbongasser som metan (CH4) og acetylen, sammen med hydrogen (H2), innført i reaksjonskammeret. Filamenttemperaturen i kammeret er over 2000 grader, og den blandede gassen dekomponeres ved høy temperatur for å produsere sp³ hybridiserte karbonradikaler som er nødvendige for diamantsyntese, som deretter danner en diamantfilm på substratoverflaten [6].
HFCVD-metoden har fordelene med enkelt utstyr, høy filmavsetningshastighet, enkel betjening, lav pris og moden teknologi. Det har vært mye brukt i industriell produksjon og er også en av hovedmetodene for fremstilling av mikrokrystallinske diamantbelegg, nanokrystallinske diamantbelegg og diamantlignende karbonbelegg [2]. Dens ulemper inkluderer: det varme filamentet eksiterer ikke gassen i høy grad, og selve filamentet kan forurense diamantfilmen; filamentet er utsatt for deformasjon under oppvarming, noe som forringer jevnheten til den avsatte filmen; og filamentet har kort levetid, noe som gjør det uegnet for langtids-avsetning av tykke filmprøver [7].
Foreløpig er forskning på fremstilling av diamantfilm ved bruk av HFCVD relativt moden både innenlands og internasjonalt. Det er imidlertid fortsatt behov for ytterligere utforskning av hvordan man justerer prosessparametere for å forbedre diamantfilmkvaliteten [2]. Nøkkelprosessparametere inkluderer gassstrømningshastighet og -forhold, filamenttemperatur, substrattype og temperatur, og reaksjonskammertrykk.
2.2.2 Likestrøm Arc Plasma Jet CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD-metoden er en unik CVD-diamantvekstteknikk utviklet av kinesiske forskere [4]. Prinsippet er å bruke høy- DC-bueutladning for å eksitere en reaksjonsgass hovedsakelig sammensatt av CH₄-H₂-Ar inn i et plasma, som deretter kastes ut i høy hastighet på substratoverflaten og avsettes en diamantfilm [7].
Sammenlignet med andre CVD-avsetningsteknikker har DCPJCVD fordelene med den høyeste avsetningshastigheten, lav utladningsspenning, høy utladningsstrøm, høy ioniseringsgrad, høy plasmatetthet og stort avsetningsområde. Dens maksimale avsetningshastighet kan nå 1000 μm/t, noe som gjør den egnet for produksjon av store-diamantfilmer. Det er for tiden den raskeste metoden for å syntetisere diamantfilmer, men den krever betydelig utstyrsinvestering, kompleks prosessering, og filmens enhetlighet trenger fortsatt forbedring [4].
I Kina har University of Science and Technology Beijing og Hebei Academy of Sciences i fellesskap utviklet og foredlet denne teknologien [8]. For tiden er diamantfilmer fremstilt av DC arc plasmajet-teknologi i Kina på et avansert nivå når det gjelder kvalitet og areal sammenlignet med de som produseres med samme metode i utlandet, og relaterte diamantfilmprodukter har allerede kommet inn på det internasjonale markedet i bulk som superharde verktøymaterialer.
2.2.3 Mikrobølgeplasma CVD (MPCVD)
I MPCVD-metoden for fremstilling av diamantfilm, får det høyfrekvente elektromagnetiske feltet generert av en mikrobølgemagnetron elektroner til å oscillere kraftig i et begrenset rom. Disse elektronene kolliderer intenst med gassmolekyler og atomer i rommet, ioniserer gassen og genererer aktive radikaler som -CH₃ og H. Disse aktive artene gjennomgår fysisk-kjemiske reaksjoner, beveger seg mot substratet og adsorberer, diffunderer, kjernener og vokser på substratfilmoverflaten, og til slutt en diamant [9].
Et bemerkelsesverdig trekk ved MPCVD er at mikrobølgeplasmaet kan oppnå stabil utladning uten elektroder via det høyfrekvente elektriske feltet, og dermed redusere prøvekontaminering. I tillegg forårsaker mikrobølgen kraftig gasssvingning, aktiverer gassen effektivt og genererer plasma med høy-tetthet, som muliggjør vekst av diamantfilmer av høy-kvalitet [10]. Vanskeligheten ligger i å danne et stort og jevnt avsetningsområde, som påvirkes av mange faktorer, inkludert elektrisk feltfordeling i hulrommet, substrattemperaturvariasjon, mikrobølgeeffekt og fordeling av aktive radikaler. Dessuten er diamantfilmavsetningshastigheten generelt lavere enn for DC-bue plasmajet CVD [4].
For å kompensere for den lave avsetningshastigheten av MPCVD, har utenlandske forskere kontinuerlig økt inneffekten til utstyret for å øke avsetningshastigheten. I løpet av flere tiår med utvikling har effekten økt fra noen få hundre watt til nesten 100 kW, noe som har forbedret avsetningsområdet, avsetningshastigheten og kvaliteten på diamantfilmer betydelig. Innenlandsk forskning på MPCVD-diamantpreparering startet relativt sent, men gjennom kontinuerlig forskning og utvikling har Kina stort sett holdt tritt med internasjonal fremgang, selv om det fortsatt er hull i kvalitet og kommersielle applikasjoner. I løpet av de siste 20 årene har innenlandske forskerteam fokusert på resonatordesign for å forfølge stor- kommersiell diamantutvikling [11].
3 bruksområder for diamantfilmer
3.1 Optiske applikasjoner
Diamantfilmer har utmerkede optiske egenskaper, inkludert høy transmittans, lav brytningsindeks og lav spredning. De brukes ofte til å produsere optiske vinduer, optiske linser og andre komponenter, med enestående bruksmuligheter innen høy-teknologiske felt som militær-, kommunikasjons- og satellittteknologi. Diamantfilmer har utmerkede fysisk-kjemiske egenskaper, spesielt god transmittans fra det ultrafiolette til det fjerne-infrarøde og mikrobølgeområdet. Når de brukes til optiske vinduer, kan de effektivt unngå termiske linseeffekter, regnerosjon, sanderosjon og optisk forvrengning. I tillegg brukes diamantfilmer ofte i røntgenvinduer og -masker, røntgentransmisjonsmål, optiske linser og andre enheter [12].
3.2 Termiske applikasjoner
Tidligere har høy tetthet, høy effekt og lite volum blitt de pågående trendene i utviklingen av elektroniske enheter innen mikroelektronikk. Men med denne trenden vil varmen som genereres av komponenter øke betydelig. CVD-diamantfilmer har egenskaper som kan sammenlignes med naturlig diamant, spesielt en ekstremt lav termisk utvidelseskoeffisient, ultra-høy termisk ledningsevne og elektrisk isolasjon. De er ideelle varmeavledermaterialer og emballasjematerialer, mye brukt i laserenheter med høy-effekt, integrerte kretser i stor skala, RF-transistorer, optiske vinduer med høy-effekt og andre enheter.
3.3 Akustiske applikasjoner
Med den utbredte bruken av lydutstyr har forbrukernes krav til høyttalerkvalitet økt jevnt og trutt. Sammenlignet med tradisjonelle diafragmamaterialer som karbonfiber, keramikk og beryllium, har diamantfilmer lavere tetthet og høyere elastisitetsmodul. Samtidig kan korngrensene i polykrystallinske diamantfilmer gi ideell indre friksjon, noe som gir dem omfattende egenskaper som er langt overlegne i tradisjonelle materialer, noe som gjør diamant til et utmerket valg for høyttalermembraner. I tillegg er bruk av medier med høy akustisk hastighet et nøkkelmiddel for å øke driftsfrekvensen til enheter. Diamant er for tiden materialet med den høyeste kjente akustiske forplantningshastigheten, noe som i stor grad kan forbedre driftsfrekvensen til overflate-akustiske bølgeenheter (SAW), som muliggjør interkonvertering av RF-signaler og mekaniske vibrasjoner, og tilbyr brede bruksmuligheter innen satellitt, mobilkommunikasjon og andre felt [10].
3.4 Elektriske applikasjoner
På grunn av diamantens brede båndgap, høye elektron- og hullmobilitet, høye elektriske nedbrytningsfelt, lav dielektrisitetskonstant, høy resistivitet og høy termisk ledningsevne, er den svært egnet for høyt integrerte halvlederenheter som opererer under høy temperatur, høy skjevhet, høy effekt og høye strålingsforhold. Derfor forventes diamant å erstatte silisium som et ideelt materiale for elektroniske enheter som må fungere pålitelig under tøffe forhold som høy temperatur og strålingsmotstand.
3.5 Biomedisinske anvendelser
Diamantfilmer kombinerer god biokompatibilitet, utmerkede mekaniske egenskaper og kjemisk stabilitet, noe som gjør dem til svært lovende neste{0}generasjons biomaterialer. Deres overlegne mekaniske egenskaper og kjemiske stabilitet kan i stor grad redusere slitasje og elektrokjemisk korrosjon av diamantbelagte-implantater. Overflatemodifiserbarheten, biokompatibiliteten og utmerket elektrisk ledningsevne etter doping av CVD-diamantfilmer gjør dem også til utmerkede støtter for biosensorer. Sammenlignet med andre støtter tilbyr biosensorer basert på diamantfilmsubstrater høyere stabilitet, pålitelighet og følsomhet.