1 Uvod
Dijamant posjeduje izvrsna mehanička, optička, toplinska i električna svojstva, što ga čini tipičnim višenamjenskim materijalom sa širokim izgledima za primjenu u mnogim područjima visoke -tehnologije kao što su zrakoplovstvo, energija, inteligentni senzori i precizna obrada [1]. Uz sve veću potražnju za dijamantom, prirodne rezerve dijamanata su ograničene i izuzetno skupe, što ne može zadovoljiti rastuće društvene potrebe. Stoga istraživači kontinuirano istražuju nove metode za umjetnu sintezu dijamanta.
Glavne metode za pripremu sintetičkog dijamanta su visoko-metoda visoke-temperature (HPHT) i kemijsko taloženje iz pare (CVD). Čestice dijamanta sintetizirane HPHT metodom uglavnom su male veličine i često sadrže veliku količinu nečistoća katalizatora. Stoga je područje njihove primjene ograničeno, prvenstveno na abrazive i alate (npr. polikristalni dijamant, PCD) [2]. Posljednjih godina tehnologija kemijskog taloženja iz pare (CVD) pojavila se kao žarište istraživanja koje vrlo obećava. Kristali dijamanta dobiveni CVD-om imaju veličinu zrna i oblike kristala najbliže onima prirodnog dijamanta i pokazuju izvrsna svojstva [3].
2 Priprema dijamantnih filmova CVD-om
CVD metoda je ključna tehnologija za pripremu tankih filmova kemijskim putem. Naširoko se koristi u pripremi raznih tankoslojnih materijala, a također je važna metoda za proizvodnju dijamantnih filmova. Posljednjih godina, istraživanje sinteze dijamantnog filma pomoću CVD-a brzo je napredovalo, a sada su postignute-velike mogućnosti proizvodnje i primjene.
2.1 Mehanizam rasta [4]
CVD sinteza dijamanta općenito uključuje razgradnju prekursora koji -sadrže ugljik korištenjem energije u redukcijskoj atmosferi za stvaranje atomskog vodika, što olakšava rast dijamanta. Proces rasta posebno uključuje sljedeće osnovne korake: (1) Prekursor (na primjeru CH4) se uvodi u CVD reaktor; (2) Plinoviti prekursor se razgrađuje energijom (plazma ili toplinska energija) u slobodne radikale (CₓHᵧ, itd.); (3) Slobodni radikali se sudaraju jedni s drugima dok ne dođu do površine supstrata; (4) Slobodni radikali adsorbiraju se na površini supstrata; (5) Adsorbirani slobodni radikali se razgrađuju i stvaraju vrste aktivnog ugljika i difundiraju na površini; (6) Aktivne vrste tvore dijamantnu rešetku; (7) Ne-aktivne vrste (kao što je vodik) desorbiraju se s površine, tvoreći molekule vodika ili druge nus{11}}proizvode; (8) Nus{13}}proizvodi difundiraju od površine kroz granični sloj i na kraju se uklanjaju protokom plina.
2.2 Tehnike pripreme
Od pojave CVD dijamantne preparacije 1980-ih, istraživači su proveli dugotrajne-dubinske studije, što je dovelo do razvoja različitih CVD metoda [5]. Trenutačno, zrele tehnike pripreme dijamantnog filma uključuju CVD s vrućim filamentom (HFCVD), CVD mikrovalnom plazmom (MPCVD) i CVD s mlazom plazme s izravnim strujnim lukom (DCPJCVD).
2.2.1 CVD vruće niti (HFCVD)
U HFCVD metodi, ugljikovodični plinovi kao što su metan (CH₄) i acetilen, zajedno s vodikom (H₂), uvode se u reakcijsku komoru. Temperatura filamenta u komori je iznad 2000 stupnjeva, a miješani plin se razgrađuje na visokoj temperaturi kako bi se proizveli sp³ hibridizirani ugljični radikali neophodni za sintezu dijamanta, koji zatim formiraju dijamantni film na površini supstrata [6].
HFCVD metoda ima prednosti jednostavne opreme, visoke brzine taloženja filma, jednostavnog rada, niske cijene i zrele tehnologije. Naširoko se koristi u industrijskoj proizvodnji, a također je jedna od glavnih metoda za pripremu mikrokristalnih dijamantnih prevlaka, nanokristalnih dijamantnih prevlaka i prevlaka ugljika sličnih dijamantu [2]. Njegovi nedostaci uključuju: vruća nit ne pobuđuje plin u visokoj mjeri, a sama nit može onečistiti dijamantni film; filament je sklon deformaciji tijekom zagrijavanja, što pogoršava ujednačenost nanesenog filma; a filament ima kratak životni vijek, što ga čini neprikladnim za dugotrajno-taloženje uzoraka debelog filma [7].
Trenutačno je istraživanje o pripremi dijamantnog filma pomoću HFCVD-a relativno zrelo iu zemlji iu inozemstvu. Međutim, potrebna su daljnja istraživanja o tome kako prilagoditi procesne parametre za poboljšanje kvalitete dijamantnog filma [2]. Ključni procesni parametri uključuju brzinu i omjer protoka plina, temperaturu niti, vrstu i temperaturu supstrata i tlak u reakcijskoj komori.
2.2.2 CVD plazma mlazom istosmjerne struje (DCPJCVD)
DCPJCVD metoda je jedinstvena CVD tehnika rasta dijamanta koju su razvili kineski istraživači [4]. Njegovo je načelo korištenje-izbijanja istosmjernog luka velike snage za pobuđivanje reakcijskog plina koji se uglavnom sastoji od CH₄-H₂-Ar u plazmu, koja se zatim izbacuje velikom brzinom na površinu supstrata, taložeći dijamantni film [7].
U usporedbi s drugim CVD tehnikama taloženja, DCPJCVD ima prednosti najveće brzine taloženja, niskog napona pražnjenja, visoke struje pražnjenja, visokog stupnja ionizacije, visoke gustoće plazme i velike površine taloženja. Njegova najveća brzina taloženja može doseći 1000 μm/h, što ga čini prikladnim za proizvodnju dijamantnih filmova velike-površine. To je trenutačno najbrža metoda za sintetiziranje dijamantnih filmova, ali zahtijeva značajna ulaganja u opremu, složenu obradu, a uniformnost filma još treba poboljšati [4].
U Kini, Sveučilište znanosti i tehnologije u Pekingu i Akademija znanosti Hebei zajednički su razvili i usavršili ovu tehnologiju [8]. Trenutno su dijamantni filmovi pripremljeni tehnologijom DC arc plazma jet tehnologije u Kini na naprednoj razini u smislu kvalitete i površine u usporedbi s onima proizvedenim istom metodom u inozemstvu, a srodni proizvodi s dijamantnim filmom već su masovno ušli na međunarodno tržište kao supertvrdi alatni materijali.
2.2.3 Mikrovalna plazma CVD (MPCVD)
U MPCVD metodi za pripremu dijamantnog filma, visoko{0}}elektromagnetsko polje koje generira mikrovalni magnetron uzrokuje snažno osciliranje elektrona u ograničenom prostoru. Ti se elektroni intenzivno sudaraju s molekulama plina i atomima u prostoru, ionizirajući plin i stvarajući aktivne radikale kao što su -CH3 i H. Ove aktivne vrste prolaze kroz fizikalno-kemijske reakcije, kreću se prema supstratu, a zatim adsorbiraju, difundiraju, nukleiraju i rastu na površini supstrata, dajući na kraju dijamantni film [9].
Značajna značajka MPCVD-a je da mikrovalna plazma može postići stabilno pražnjenje bez elektroda putem visoko{0}}frekventnog električnog polja, čime se smanjuje kontaminacija uzorka. Osim toga, mikrovalna pećnica uzrokuje snažno osciliranje plina, učinkovito aktivirajući plin i stvarajući plazmu visoke-gustoće, što omogućuje rast visoko{3}}kvalitetnih dijamantnih filmova [10]. Poteškoća leži u formiranju velikog i jednolikog područja taloženja, na koje utječu mnogi čimbenici, uključujući distribuciju električnog polja u šupljini, varijaciju temperature supstrata, snagu mikrovalova i distribuciju aktivnih radikala. Štoviše, brzina taloženja dijamantnog filma općenito je niža od one kod CVD plazma mlaza s istosmjernim lukom [4].
Kako bi kompenzirali nisku stopu taloženja MPCVD-a, strani su istraživači kontinuirano povećavali ulaznu snagu opreme kako bi povećali stopu taloženja. Tijekom desetljeća razvoja, snaga je porasla s nekoliko stotina vata na gotovo 100 kW, značajno poboljšavajući područje taloženja, brzinu taloženja i kvalitetu dijamantnih filmova. Domaća istraživanja MPCVD pripreme dijamanata započela su relativno kasno, ali kontinuiranim istraživanjem i razvojem Kina je u velikoj mjeri držala korak s međunarodnim napretkom, iako ostaju praznine u kvaliteti i komercijalnoj primjeni. U proteklih 20 godina domaći istraživački timovi usredotočili su se na dizajn rezonatora kako bi nastavili -komercijalni razvoj dijamanata u velikim razmjerima [11].
3 Primjena dijamantnih filmova
3.1 Optičke primjene
Dijamantni filmovi posjeduju izvrsna optička svojstva, uključujući visoku propusnost, nizak indeks loma i nisko raspršenje. Često se koriste za izradu optičkih prozora, optičkih leća i drugih komponenti, s izvanrednim izgledima za primjenu u visoko-poljima tehnologije kao što su vojska, komunikacije i satelitska tehnologija. Dijamantni filmovi imaju izvrsna fizikalno-kemijska svojstva, posebno dobru propusnost od ultraljubičastog do dalekog-infracrvenog i mikrovalnog raspona. Kada se koriste za optičke prozore, mogu učinkovito izbjeći efekt toplinske leće, eroziju kišom, eroziju pijeska i optičku distorziju. Osim toga, dijamantni filmovi često se koriste u prozorima i maskama za X{-zrake, metama za prijenos X{-zraka, optičkim lećama i drugim uređajima [12].
3.2 Toplinske primjene
U prošlosti su velika gustoća, velika snaga i mali volumen postali stalni trendovi u razvoju elektroničkih uređaja u području mikroelektronike. Međutim, s ovim trendom, toplina koju proizvode komponente značajno će se povećati. CVD dijamantni filmovi imaju svojstva usporediva s onima prirodnog dijamanta, posebno izuzetno nizak koeficijent toplinskog širenja, ultra-visoku toplinsku vodljivost i električnu izolaciju. Oni su idealni materijali za odvod topline i materijali za pakiranje, naširoko se upotrebljavaju u laserskim-uređajima visoke-snage, velikim-integriranim krugovima, RF energetskim tranzistorima,-optičkim prozorima velike{6}}snage i drugim uređajima.
3.3 Akustične primjene
Sa širokim usvajanjem audio opreme, zahtjevi potrošača za kvalitetom zvučnika stalno su se povećavali. U usporedbi s tradicionalnim materijalima dijafragme kao što su karbonska vlakna, keramika i berilij, dijamantni filmovi imaju nižu gustoću i viši modul elastičnosti. U isto vrijeme, granice zrna u polikristalnim dijamantnim filmovima mogu pružiti idealno unutarnje trenje, dajući im sveobuhvatna svojstva daleko bolja od onih tradicionalnih materijala, čineći dijamant izvrsnim izborom za membrane zvučnika. Osim toga, korištenje medija velike akustične brzine ključno je sredstvo za povećanje radne frekvencije uređaja. Dijamant je trenutno materijal s najvećom poznatom brzinom širenja zvuka, koji može uvelike poboljšati radnu frekvenciju uređaja s površinskim akustičnim valovima (SAW), omogućujući međupretvorbu RF signala i mehaničkih vibracija, te nudeći široke mogućnosti primjene u satelitskim, mobilnim komunikacijama i drugim poljima [10].
3.4 Električne primjene
Zbog dijamantovog širokog pojasnog pojasa, visoke pokretljivosti elektrona i šupljina, visokog probojnog električnog polja, niske dielektrične konstante, visokog otpora i visoke toplinske vodljivosti, vrlo je prikladan za visoko integrirane poluvodičke uređaje koji rade pod uvjetima visoke temperature, velike pristranosti, velike snage i visokog zračenja. Stoga se očekuje da će dijamant zamijeniti silicij kao idealan materijal za elektroničke uređaje koji moraju pouzdano raditi u teškim uvjetima kao što su visoka temperatura i otpornost na zračenje.
3.5 Biomedicinske primjene
Dijamantni filmovi kombiniraju dobru biokompatibilnost, izvrsna mehanička svojstva i kemijsku stabilnost, što ih čini vrlo obećavajućim biomaterijalima sljedeće-generacije. Njihova vrhunska mehanička svojstva i kemijska stabilnost mogu uvelike smanjiti trošenje i elektrokemijsku koroziju dijamantno-implantata. Mogućnost površinske modifikacije, biokompatibilnost i izvrsna električna vodljivost nakon dopiranja CVD dijamantnih filmova također ih čine izvrsnim nosačima za biosenzore. U usporedbi s drugim nosačima, biosenzori temeljeni na supstratima dijamantnog filma nude veću stabilnost, pouzdanost i osjetljivost.