1 مقدمه
الماس دارای خواص مکانیکی، نوری، حرارتی و الکتریکی عالی است، که آن را به یک ماده چند منظوره معمولی با چشم انداز کاربردی گسترده در بسیاری از زمینه های{0}فناوری پیشرفته مانند هوافضا، انرژی، حسگرهای هوشمند و ماشینکاری دقیق تبدیل می کند [1]. با افزایش تقاضا برای الماس، ذخایر طبیعی الماس محدود و بسیار گران است که نمی تواند نیازهای اجتماعی رو به رشد را برآورده کند. بنابراین، محققان به طور مداوم روشهای جدیدی را برای سنتز مصنوعی الماس بررسی میکنند.
روشهای اصلی برای تهیه الماس مصنوعی، روش-فشار بالا-درجه حرارت بالا (HPHT) و رسوب شیمیایی بخار (CVD) است. ذرات الماس سنتز شده با روش HPHT عمدتاً اندازه کوچکی دارند و اغلب حاوی مقدار زیادی ناخالصی کاتالیزور هستند. از این رو، دامنه کاربرد آنها، عمدتاً به ساینده ها و ابزارها (به عنوان مثال، الماس پلی کریستالی، PCD) محدود است [2]. در سال های اخیر، فناوری رسوب بخار شیمیایی (CVD) به عنوان یک کانون تحقیقاتی بسیار امیدوارکننده ظاهر شده است. بلورهای الماس تهیه شده توسط CVD دارای اندازه دانه و شکل کریستالی هستند که نزدیک به الماس طبیعی هستند و خواص بسیار خوبی از خود نشان می دهند [3].
2 تهیه فیلم های الماس توسط CVD
روش CVD یک فناوری کلیدی برای تهیه لایه های نازک به روش های شیمیایی است. به طور گسترده ای در تهیه مواد مختلف لایه نازک استفاده می شود و همچنین یک روش مهم برای تولید فیلم های الماس است. در سال های اخیر، تحقیقات در مورد سنتز فیلم الماس توسط CVD به سرعت پیشرفت کرده است و اکنون قابلیت های تولید و کاربرد در مقیاس بزرگ به دست آمده است.
2.1 مکانیسم رشد [4]
سنتز CVD الماس عموماً شامل تجزیه کربن{0} حاوی پیش سازها با استفاده از انرژی در اتمسفر کاهنده برای تولید هیدروژن اتمی است که رشد الماس را تسهیل میکند. فرآیند رشد به طور خاص شامل مراحل اساسی زیر است: (1) پیش ساز (که نمونه آن CH4 است) به راکتور CVD وارد می شود. (2) پیش ساز گازی توسط انرژی (پلاسما یا انرژی حرارتی) به رادیکال های آزاد (CₓHᵧ و غیره) تجزیه می شود. (3) رادیکال های آزاد تا زمانی که به سطح بستر برسند با یکدیگر برخورد می کنند. (4) رادیکال های آزاد روی سطح بستر جذب می شوند. (5) رادیکال های آزاد جذب شده برای تشکیل گونه های کربن فعال تجزیه می شوند و در سطح پخش می شوند. (6) گونه های فعال شبکه الماس را تشکیل می دهند. (7) گونههای غیرفعال (مانند هیدروژن) از سطح خارج میشوند و مولکولهای هیدروژن یا سایر محصولات جانبی را تشکیل میدهند. (8) محصولات توسط{13}}از سطح از طریق لایه مرزی پخش میشوند و در نهایت توسط جریان عمده گاز حذف میشوند.
2.2 تکنیک های آماده سازی
از زمان ظهور تهیه الماس CVD در دهه 1980، محققان مطالعات عمیق{1} مداومی را انجام داده اند که منجر به توسعه روش های مختلف CVD شده است [5]. در حال حاضر، تکنیکهای آمادهسازی فیلم الماس بالغ شامل CVD رشته داغ (HFCVD)، CVD پلاسما مایکروویو (MPCVD) و جریان مستقیم جریان مستقیم پلاسمای جت CVD (DCPJCVD) است.
2.2.1 CVD رشته داغ (HFCVD)
در روش HFCVD، گازهای هیدروکربنی مانند متان (CH4) و استیلن همراه با هیدروژن (H2) به محفظه واکنش وارد می شوند. دمای رشته در محفظه بالاتر از 2000 درجه است، و گاز مخلوط در دمای بالا تجزیه می شود تا رادیکال های کربن هیبرید شده sp3 که برای سنتز الماس ضروری است تولید کند، که سپس یک لایه الماس بر روی سطح زیرلایه تشکیل می دهد [6].
روش HFCVD دارای مزایای تجهیزات ساده، نرخ رسوب فیلم بالا، عملیات آسان، هزینه کم و تکنولوژی بالغ است. این به طور گسترده در تولید صنعتی استفاده می شود و همچنین یکی از روش های اصلی برای تهیه پوشش های الماس ریز کریستالی، پوشش های الماس نانوکریستالی و پوشش های کربن مانند الماس است [2]. معایب آن عبارتند از: رشته داغ گاز را تا حد زیادی تحریک نمی کند و خود فیلامنت ممکن است فیلم الماس را آلوده کند. فیلامنت در حین گرم شدن مستعد تغییر شکل است که یکنواختی فیلم رسوب شده را کاهش می دهد. و فیلامنت عمر کوتاهی دارد و آن را برای رسوب طولانی مدت نمونه های لایه ضخیم نامناسب می کند [7].
در حال حاضر، تحقیقات در مورد تهیه فیلم الماس با استفاده از HFCVD هم در داخل و هم در سطح بین المللی نسبتاً بالغ است. با این حال، هنوز به کاوش بیشتر در مورد چگونگی تنظیم پارامترهای فرآیند برای بهبود کیفیت فیلم الماس نیاز است [2]. پارامترهای کلیدی فرآیند شامل نرخ و نسبت جریان گاز، دمای رشته، نوع و دما بستر و فشار محفظه واکنش است.
2.2.2 CVD جت پلاسما قوس جریان مستقیم (DCPJCVD)
روش DCPJCVD یک تکنیک منحصر به فرد رشد الماس CVD است که توسط محققان چینی توسعه یافته است [4]. اصل آن استفاده از تخلیه قوس DC با توان بالا برای برانگیختن گاز واکنشی است که عمدتاً از CH4-H2-Ar تشکیل شده است به داخل پلاسما، که سپس با سرعت بالا به سطح زیرلایه پرتاب میشود و یک لایه الماسی رسوب میکند [7].
در مقایسه با سایر تکنیک های رسوب CVD، DCPJCVD دارای مزایای بالاترین نرخ رسوب، ولتاژ تخلیه کم، جریان تخلیه بالا، درجه یونیزاسیون بالا، چگالی پلاسما بالا و سطح رسوب بزرگ است. حداکثر سرعت رسوب گذاری آن می تواند به 1000 میکرومتر در ساعت برسد که آن را برای تولید فیلم های الماسی با مساحت بزرگ مناسب می کند. در حال حاضر این سریعترین روش برای سنتز فیلم های الماس است، اما نیاز به سرمایه گذاری تجهیزات قابل توجه، پردازش پیچیده دارد و یکنواختی فیلم هنوز نیاز به بهبود دارد [4].
در چین، دانشگاه علم و فناوری پکن و آکادمی علوم هبی به طور مشترک این فناوری را توسعه و اصلاح کردند [8]. در حال حاضر فیلم های الماسی تهیه شده با فناوری جت پلاسمای قوس DC در چین از نظر کیفیت و مساحت در مقایسه با نمونه های تولید شده با همین روش در خارج از کشور در سطح پیشرفته ای قرار دارند و محصولات فیلم الماس مرتبط قبلاً به صورت عمده به عنوان مواد ابزار فوق سخت وارد بازار بین المللی شده اند.
2.2.3 مایکروویو پلاسما CVD (MPCVD)
در روش MPCVD برای تهیه فیلم الماس، میدان الکترومغناطیسی با فرکانس بالا- که توسط مگنترون مایکروویو ایجاد میشود، باعث میشود که الکترونها به شدت در یک فضای محدود نوسان کنند. این الکترونها به شدت با مولکولهای گاز و اتمهای موجود در فضا برخورد میکنند، گاز را یونیزه میکنند و رادیکالهای فعالی مانند -CH3 و H تولید میکنند. این گونههای فعال تحت واکنشهای فیزیکوشیمیایی قرار میگیرند، به سمت زیرلایه حرکت میکنند و سپس جذب، انتشار، هستهسازی میشوند و در سطح لایهای دو لایه رشد میکنند.
یکی از ویژگی های قابل توجه MPCVD این است که پلاسمای مایکروویو می تواند بدون الکترود از طریق میدان الکتریکی با فرکانس بالا به تخلیه پایداری دست یابد و در نتیجه آلودگی نمونه را کاهش دهد. علاوه بر این، مایکروویو باعث نوسان شدید گاز می شود، به طور موثر گاز را فعال می کند و پلاسمای با چگالی بالا تولید می کند که رشد فیلم های الماس با کیفیت بالا را ممکن می سازد [10]. مشکل در تشکیل یک منطقه رسوب بزرگ و یکنواخت است که تحت تأثیر عوامل بسیاری از جمله توزیع میدان الکتریکی در حفره، تغییرات دمای بستر، قدرت مایکروویو و توزیع رادیکالهای فعال قرار دارد. علاوه بر این، نرخ رسوب فیلم الماس به طور کلی کمتر از CVD جت پلاسما قوس DC است [4].
برای جبران نرخ کم رسوب MPCVD، محققان خارجی به طور مداوم قدرت ورودی تجهیزات را افزایش داده اند تا نرخ رسوب را افزایش دهند. طی چند دهه توسعه، توان از چند صد وات به نزدیک به 100 کیلو وات افزایش یافته است که به طور قابل توجهی سطح رسوب گذاری، نرخ رسوب گذاری و کیفیت فیلم های الماس را بهبود بخشیده است. تحقیقات داخلی در مورد تهیه الماس MPCVD نسبتا دیر شروع شد، اما از طریق تحقیق و توسعه مستمر، چین تا حد زیادی با پیشرفت بین المللی همگام شده است، اگرچه شکاف هایی در کیفیت و کاربردهای تجاری باقی مانده است. در 20 سال گذشته، تیم های تحقیقاتی داخلی بر روی طراحی تشدید کننده تمرکز کرده اند تا توسعه الماس تجاری در مقیاس بزرگ را دنبال کنند [11].
3 کاربرد فیلم های الماس
3.1 برنامه های نوری
فیلم های الماس دارای خواص نوری بسیار خوبی هستند، از جمله گذردهی بالا، ضریب شکست کم و پراکندگی کم. آنها اغلب برای ساخت پنجره های نوری، لنزهای نوری، و سایر اجزاء، با چشم انداز کاربردی برجسته در زمینه های{1}فناوری پیشرفته مانند ارتش، ارتباطات، و فناوری ماهواره استفاده می شوند. فیلمهای الماس دارای خواص فیزیکی و شیمیایی عالی هستند، بهویژه انتقال خوبی از اشعه ماوراء بنفش به محدوده مادون قرمز و مایکروویو دور-. هنگامی که برای پنجره های نوری استفاده می شود، می توانند به طور موثر از اثرات لنز حرارتی، فرسایش باران، فرسایش شن و ماسه و اعوجاج نوری جلوگیری کنند. علاوه بر این، فیلمهای الماس اغلب در پنجرهها و ماسکهای اشعه ایکس، اهداف انتقال اشعه ایکس، لنزهای نوری و سایر دستگاهها استفاده میشوند [12].
3.2 کاربردهای حرارتی
در گذشته، چگالی بالا، توان بالا و حجم کم به روندهای مداوم در توسعه دستگاه های الکترونیکی در زمینه میکروالکترونیک تبدیل شده است. با این حال، با این روند، گرمای تولید شده توسط قطعات به طور قابل توجهی افزایش خواهد یافت. فیلم های الماس CVD دارای خواص قابل مقایسه با الماس طبیعی هستند، به ویژه ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین، هدایت حرارتی فوق العاده{2}}و عایق الکتریکی. آنها مواد و مواد بستهبندی ایدهآل هیت سینک هستند که بهطور گسترده در دستگاههای لیزری پرقدرت، مدارهای مجتمع-در مقیاس بزرگ، ترانزیستورهای قدرت RF، پنجرههای نوری-پرقدرت و سایر دستگاهها استفاده میشوند.
3.3 کاربردهای آکوستیک
با پذیرش گسترده تجهیزات صوتی، تقاضای مصرف کنندگان برای کیفیت بلندگو به طور پیوسته افزایش یافته است. در مقایسه با مواد دیافراگمی سنتی مانند فیبر کربن، سرامیک و بریلیوم، فیلمهای الماس چگالی کمتر و مدول الاستیک بالاتری دارند. در عین حال، مرزهای دانه در فیلمهای الماس پلی کریستالی میتواند اصطکاک داخلی ایدهآلی را ایجاد کند و خواص جامعی را به آنها بدهد که بسیار برتر از مواد سنتی است و الماس را به انتخابی عالی برای دیافراگمهای بلندگو تبدیل میکند. علاوه بر این، استفاده از رسانه های با سرعت صوتی بالا وسیله ای کلیدی برای افزایش فرکانس کاری دستگاه ها است. الماس در حال حاضر ماده ای با بالاترین سرعت انتشار آکوستیک شناخته شده است که می تواند فرکانس کاری دستگاه های موج صوتی سطحی (SAW) را تا حد زیادی بهبود بخشد، تبدیل سیگنال های RF و ارتعاشات مکانیکی را ممکن می سازد و چشم انداز کاربردی گسترده ای را در ماهواره، ارتباطات سیار و سایر زمینه ها ارائه می دهد [10].
3.4 کاربردهای برق
با توجه به فاصله باند گسترده، تحرک الکترون و حفره بالا، میدان الکتریکی شکست بالا، ثابت دی الکتریک کم، مقاومت بالا و رسانایی حرارتی بالا، برای دستگاه های نیمه هادی بسیار یکپارچه که در شرایط دمای بالا، بایاس بالا، توان بالا و شرایط تشعشع بالا کار می کنند، بسیار مناسب است. بنابراین، انتظار می رود که الماس جایگزین سیلیکون به عنوان یک ماده ایده آل برای دستگاه های الکترونیکی شود که باید تحت شرایط سخت مانند درجه حرارت بالا و مقاومت در برابر تشعشع به طور قابل اعتماد کار کنند.
3.5 کاربردهای زیست پزشکی
فیلمهای الماس زیستسازگاری خوب، خواص مکانیکی عالی، و پایداری شیمیایی را با هم ترکیب میکنند که آنها را به مواد زیستی نسل بعدی بسیار امیدوارکننده تبدیل میکند. خواص مکانیکی برتر و پایداری شیمیایی آنها می تواند تا حد زیادی سایش و خوردگی الکتروشیمیایی ایمپلنت های پوشش داده شده الماس را کاهش دهد. قابلیت تغییر سطح، زیست سازگاری و رسانایی الکتریکی عالی پس از دوپینگ فیلم های الماس CVD نیز آنها را به پشتیبانی عالی برای حسگرهای زیستی تبدیل می کند. در مقایسه با سایر پایهها، حسگرهای زیستی مبتنی بر بسترهای فیلم الماس، پایداری، قابلیت اطمینان و حساسیت بالاتری را ارائه میدهند.