Dijamant posjeduje izvrsna optička, mehanička, toplinska i druga svojstva, što mu daje široke izglede za primjenu u brojnim područjima. Trenutno, industrija dijamanata prolazi kroz temeljnu promjenu od "alata za utvrđivanje tvrdoće" na "funkcionalne materijale". Na temelju razlika u kristalnoj strukturi, dijamant se može podijeliti na jedno-kristalni dijamant i polikristalni dijamant. Iako ova dva materijala dijele mnoge zajedničke karakteristike, njihove različite mikrostrukture dovode do značajnih razlika u izvedbi, metodama izrade i područjima primjene.
01 Kristalna struktura: Granice zrna određuju temeljne razlike
Jedno-kristalni dijamant ima vrlo pravilnu, gotovo savršenu kristalnu strukturu. Na atomskoj razini, ugljikovi atomi pokazuju strogo uređen tro-dimenzionalni periodični raspored, s potpunom i kontinuiranom rešetkom. Kristal se razvija iz jedne jezgre, raste usmjereno uz specifične kristalografske orijentacije, bez interferencije granica zrna tijekom procesa rasta. Ova mikrostruktura rezultira jednolikom i simetričnom distribucijom elektronskog oblaka, konstantnom i relativno visokom energijom veze, čime se osigurava visoka makroskopska ujednačenost fizičkih svojstava.
Polikristalni dijamant se može promatrati kao polikristalni agregat sastavljen od velikog broja sitnih kristalita. Sastoji se od brojnih finih čestica nano-razmjera skupljenih zajedno. Ove čestice imaju kristalnu strukturu sličnu mono-kristalnom dijamantu, ali su raspoređene neuredno s nasumičnim usmjerenjima, povezane nezasićenim vezama sa značajnim granicama zrna. Ukupna ujednačenost strukture je loša, a gustoća defekata je relativno visoka.
Sa svojom potpunom strukturom rešetke, mono{0}}kristalni dijamant posjeduje intrinzična svojstva kao što su visoka tvrdoća, dobra optička propusnost i visoka toplinska vodljivost. Polikristalni dijamant, kroz inženjering granica zrna, postiže bolju žilavost loma zadržavajući većinu gore navedenih intrinzičnih svojstava, a također nudi prednosti u izradi velikih-površina i-cijenovnoj učinkovitosti.
02 Različiti putovi sinteze oblikuju karakteristike kristala
Trenutačne glavne metode izrade dijamanata su metoda visokog-pritiska i visoke{1}}temperature (HPHT) i metoda kemijskog taloženja iz pare (CVD).
HPHT metoda simulira okruženje formiranja prirodnog dijamanta duboko u zemljinoj kori. Primjenom vanjskog visokog tlaka od 5–7 GPa i visoke temperature od 1300–1700 stupnjeva, uz katalitičko djelovanje metalnih otapala (kao što su legure na bazi Fe- i Ni-), grafit prolazi kroz faznu transformaciju u dijamant.
U području nakita, ono što nazivamo "dijamant" je u biti jedno-kristalni dijamant koji zadovoljava-optičke i mehaničke zahtjeve kvalitete dragulja. Više od 90% laboratorijski-dijamanata proizvedeno je HPHT metodom. Polikristalni dijamant sintetiziran pomoću HPHT-a ima visoku tvrdoću i jaku otpornost na habanje te se široko koristi u industrijskim primjenama kao što su alati za rezanje, svrdla i abrazivi.
CVD metoda radi pod niskim tlakom (<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.
U CVD rastu mono-kristalnog dijamanta, kao početni supstrat potrebne su dijamantne klice. Začetak pruža specifičnu kristalografsku orijentaciju i predložak rasta za taloženje atoma ugljika, osiguravajući da se atomi ugljika poredaju u pravilnom jedno-kristalnom poretku, tvoreći tako -kvalitetni mono-kristalni dijamant. Polikristalni dijamant, s druge strane, ima manje stroge zahtjeve za kristalografsku orijentaciju i strukturnu uniformnost, tako da nije potrebno nikakvo sjeme za usmjeravanje smjera rasta. Proces rasta uključuje izravnu razgradnju plinova koji sadrže ugljik-na supstratu, s atomima ugljika koji nasumično nukleiraju i rastu, tvoreći polikristalnu strukturu sastavljenu od mnogo malih zrnaca.
03 Diferencijalna svojstva omogućuju raznolike scenarije primjene
(1) Mehaničke primjene
Jedno-kristalni dijamant jedan je od najtvrđih poznatih prirodnih materijala, s Mohsovom tvrdoćom od 10 i izuzetno visokom otpornošću na trošenje. Njegova rezna oštrica može postići atomsku-ravnost i oštrinu, omogućujući replikaciju savršenog stanja oštrice na obradak, dajući zrcalno-finiš s visokom glatkoćom. Prikladan je za ultra-tanko rezanje i ultra-preciznu obradu.
Polikristalni dijamant ima nešto manju tvrdoću od jedno-kristalnog dijamanta, ali i dalje pokazuje izvrsnu otpornost na trošenje. Štoviše, njegova jedinstvena žilavost i svojstvo samo-oštrenja znače da se tijekom brušenja i poliranja grube čestice lome na manje čestice, neprestano izlažući nove oštrice. Ovo ne samo da osigurava kvalitetu poliranja površine izratka, već također poboljšava učinkovitost brušenja, čineći ga prikladnijim za brušenje izradaka koji se sastoje od materijala različite tvrdoće.
(2) Prijave za upravljanje toplinom
Jedno-kristalni dijamant ima toplinsku vodljivost do 2200 W/(m·K), ali njegova visoka cijena i mala veličina ograničavaju njegovu upotrebu primarno kao vrhunske -raspršivače topline u aplikacijama s iznimno visokim zahtjevima za rasipanje topline i strogom preciznošću, kao što su vojni radari i kvantni računalni čipovi, koji osiguravaju precizno i brzo uklanjanje topline tijekom rada uređaja.
Jedno-kristalni (lijevo) i polikristalni (desno) dijamantni raspršivači topline. Izvor slike: Worldia
Polikristalni dijamant, zbog granica zrna i drugih čimbenika, ima nešto nižu toplinsku vodljivost od jedno-kristalnog dijamanta, ali ipak doseže ~2000 W/(m·K), što je više od 5 puta više od uobičajenog materijala supstrata SiC i 13 puta više od Si. Također nudi prednosti u učinkovitosti izrade i cijeni materijala u usporedbi s jedno-kristalnim dijamantom. U energetskim poluvodičkim uređajima kao što su IGBT moduli, može poslužiti kao podloga-za raspršivanje topline, usko pričvršćena na stražnju stranu čipa za učinkovito odvođenje topline. U LED rasvjeti velike-snage koristi se kao raspršivač topline ili materijal za pakiranje kako bi se smanjilo raspadanje svjetlosti i produžio radni vijek lampe. Također se koristi kao hladnjak za laserske diode, pomažući u poboljšanju izlazne snage i stabilnosti lasera.
U veljači ove godine Huanghe Whirlwind službeno je pokrenuo svoju proizvodnu liniju za 8-inčne polikristalne dijamantne raspršivače topline, označavajući kritičan prijelaz s laboratorijske tehnologije na masovnu proizvodnju. Nedavno je Huifeng Diamond također najavio stabilnu proizvodnju visoko-kvalitetnih 8-inčnih CVD polikristalnih dijamantnih raspršivača topline. Kako se dimenzije povećavaju, više jedinica raspršivača topline može se izrezati iz iste podloge, poboljšavajući iskoristivost materijala, smanjujući troškove proizvodnje jedinica i dodatno prilagođavajući zahtjeve naprednog pakiranja poluvodiča i serijske proizvodnje.
(3) Optičke primjene
Dijamant nije samo izvrstan toplinski vodič; njegova optička svojstva također ga čine vrlo vrijednim u optičkom polju. Jedno-kristalni dijamant ima visok indeks loma i iznimno nizak koeficijent apsorpcije, što rezultira minimalnim gubitkom svjetlosti tijekom prijenosa. Kad se polira, može se koristiti za infracrvene optičke prozore, visoko-objektive mikroskopa i još mnogo toga. Visoko{5}}kvalitetni-kristalni dijamant pripremljen CVD-om može biti potpuno bezbojan i proziran, s izvrsnom propusnošću od ultraljubičastog do infracrvenog, pa čak i mikrovalnog raspona. Polikristalni dijamant pati od ograničene optičke ujednačenosti zbog raspršenja granica zrna, ali nakon posebne optimizacije procesa za kontrolu veličine zrna i smanjenje-učinaka granica zrna, može se primijeniti u područjima gdje su osjetljivost na troškove i relativno umjereni zahtjevi za optičkom preciznošću prihvatljivi, kao što su određena rasvjeta i uređaji za prikaz.