Το Diamond διαθέτει εξαιρετικές οπτικές, μηχανικές, θερμικές και άλλες ιδιότητες, προσδίδοντάς του ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε πολλούς τομείς. Επί του παρόντος, η βιομηχανία διαμαντιών υφίσταται μια βαθιά θεμελιώδη μετατόπιση από τα "εργαλεία σκληρότητας" στα "λειτουργικά υλικά". Με βάση τις διαφορές στην κρυσταλλική δομή, το διαμάντι μπορεί να υποδιαιρεθεί σε μονο-διαμάντι και πολυκρυσταλλικό διαμάντι. Αν και αυτά τα δύο υλικά μοιράζονται πολλά κοινά χαρακτηριστικά, οι διακριτές μικροδομές τους οδηγούν σε σημαντικές διαφορές στην απόδοση, τις μεθόδους κατασκευής και τους τομείς εφαρμογής.
01 Κρυσταλλική δομή: Τα όρια κόκκων καθορίζουν τις υποκείμενες διαφορές
Το μονοκρυστάλλινο διαμάντι διαθέτει μια εξαιρετικά κανονική, σχεδόν τέλεια κρυσταλλική δομή. Στην ατομική κλίμακα, τα άτομα άνθρακα εμφανίζουν μια αυστηρά διατεταγμένη τρι-διάστατη περιοδική διάταξη, με ένα πλήρες και συνεχές πλέγμα. Ο κρύσταλλος αναπτύσσεται από έναν ενιαίο πυρήνα, που αναπτύσσεται κατευθυντικά κατά μήκος συγκεκριμένων κρυσταλλογραφικών προσανατολισμών, χωρίς παρεμβολή στα όρια των κόκκων σε όλη τη διαδικασία ανάπτυξης. Αυτή η μικροδομή έχει ως αποτέλεσμα μια ομοιόμορφη και συμμετρική κατανομή νέφους ηλεκτρονίων, σταθερή και σχετικά υψηλή ενέργεια δεσμού, εξασφαλίζοντας έτσι υψηλή μακροσκοπική ομοιομορφία των φυσικών ιδιοτήτων.
Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πολυκρυσταλλικό συσσωμάτωμα που αποτελείται από μεγάλο αριθμό μικροσκοπικών κρυσταλλιδίων. Αποτελείται από πολυάριθμα λεπτά σωματίδια νανο-κλίμακας συσσωματωμένα μαζί. Αυτά τα σωματίδια έχουν μια κρυσταλλική δομή παρόμοια με αυτή του μονοκρυστάλλου-διαμαντιού, αλλά είναι διατεταγμένα άτακτα με τυχαίους προσανατολισμούς, συνδεδεμένα μέσω ακόρεστων δεσμών με σημαντικά όρια κόκκων. Η συνολική δομική ομοιομορφία είναι κακή και η πυκνότητα του ελαττώματος είναι σχετικά υψηλή.
Με την πλήρη δομή του πλέγματος, το μονοκρυσταλλικό διαμάντι διαθέτει εγγενείς ιδιότητες όπως υψηλή σκληρότητα, καλή οπτική μετάδοση και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι, μέσω της μηχανικής ορίων κόκκων, επιτυγχάνει καλύτερη ανθεκτικότητα στη θραύση διατηρώντας τις περισσότερες από τις παραπάνω εγγενείς ιδιότητες και προσφέρει επίσης πλεονεκτήματα σε-μεγάλη{2}}κατασκευή και οικονομική-αποτελεσματικότητα.
02 Διαφορετικές διαδρομές σύνθεσης Χαρακτηριστικά κρυστάλλου σχήματος
Οι τρέχουσες μέθοδοι παραγωγής διαμαντιών είναι η μέθοδος υψηλής-πίεσης υψηλής-θερμοκρασίας (HPHT) και η μέθοδος χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD).
Η μέθοδος HPHT προσομοιώνει το περιβάλλον σχηματισμού φυσικού διαμαντιού βαθιά στο φλοιό της γης. Εφαρμόζοντας εξωτερικά υψηλή πίεση 5–7 GPa και υψηλή θερμοκρασία 1300–1700 βαθμών, με την καταλυτική δράση μεταλλικών διαλυτών (όπως κράματα με βάση το Fe- και το Ni-), ο γραφίτης υφίσταται μετατροπή φάσης σε διαμάντι.
Στον τομέα του κοσμήματος, αυτό που ονομάζουμε "διαμάντι" είναι ουσιαστικά μονο-διαμάντι από κρύσταλλο που πληροί πολύτιμες- απαιτήσεις ποιότητας οπτικής και μηχανικής ποιότητας. Πάνω από το 90% των διαμαντιών-που καλλιεργούνται στο εργαστήριο παράγονται με τη μέθοδο HPHT. Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι που συντίθεται από την HPHT διαθέτει υψηλή σκληρότητα και ισχυρή αντοχή στη φθορά και χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές όπως εργαλεία κοπής, τρυπάνια και λειαντικά.
Η μέθοδος CVD λειτουργεί υπό χαμηλή πίεση (<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.
Στην καρδιαγγειακή ανάπτυξη μονοκρυσταλλικού διαμαντιού-, απαιτούνται σπόροι διαμαντιού ως αρχικό υπόστρωμα. Ο σπόρος παρέχει ένα συγκεκριμένο κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό και πρότυπο ανάπτυξης για την εναπόθεση ατόμων άνθρακα, διασφαλίζοντας ότι τα άτομα άνθρακα διατάσσονται με την κανονική μονοκρυσταλλική σειρά, σχηματίζοντας έτσι-μονό κρυστάλλινο διαμάντι υψηλής ποιότητας. Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι, από την άλλη πλευρά, έχει λιγότερο αυστηρές απαιτήσεις για κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό και δομική ομοιομορφία, επομένως δεν χρειάζεται σπόρος για την κατεύθυνση της ανάπτυξης. Η διαδικασία ανάπτυξης περιλαμβάνει άμεση αποσύνθεση-αερίων που περιέχουν άνθρακα στο υπόστρωμα, με τα άτομα άνθρακα να πυρηνώνονται τυχαία και να αναπτύσσονται, σχηματίζοντας μια πολυκρυσταλλική δομή που αποτελείται από πολλούς μικρούς κόκκους.
03 Διαφορικές ιδιότητες Ενεργοποίηση σεναρίων ευέλικτων εφαρμογών
(1) Μηχανολογικές Εφαρμογές
Το μονοκρυστάλλινο διαμάντι είναι ένα από τα πιο σκληρά γνωστά φυσικά υλικά, με σκληρότητα Mohs 10 και εξαιρετικά υψηλή αντοχή στη φθορά. Η αιχμή του μπορεί να επιτύχει ατομικό-επίπεδο ευθύτητα και ευκρίνεια, επιτρέποντας την αναπαραγωγή της τέλειας κατάστασης της λεπίδας στο τεμάχιο εργασίας, αποδίδοντας ένα φινίρισμα σαν καθρέφτη-με υψηλή ομαλότητα. Είναι κατάλληλο για εξαιρετικά-λεπτή κοπή και κατεργασία εξαιρετικά-ακριβείας.
Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι έχει ελαφρώς χαμηλότερη σκληρότητα από το μονοκρύσταλλο-διαμάντι, αλλά εξακολουθεί να παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στη φθορά. Επιπλέον, η μοναδική σκληρότητά του και η ιδιότητά του να{2}}ακονίζεται μόνος του σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια της λείανσης και του γυαλίσματος, τα χοντρά σωματίδια σπάνε σε μικρότερα σωματίδια, εκθέτοντας συνεχώς νέες κοπτικές ακμές. Αυτό όχι μόνο διασφαλίζει την ποιότητα στίλβωσης της επιφάνειας του τεμαχίου εργασίας, αλλά βελτιώνει επίσης την απόδοση λείανσης, καθιστώντας την πιο κατάλληλη για λείανση τεμαχίων που αποτελούνται από υλικά με διαφορετική σκληρότητα.
(2) Εφαρμογές Θερμικής Διαχείρισης
Το μονοκρύσταλλο διαμάντι έχει θερμική αγωγιμότητα έως και 2200 W/(m·K), αλλά το υψηλό του κόστος και το μικρό του μέγεθος περιορίζουν τη χρήση του κυρίως ως διανομείς θερμότητας υψηλών-σε εφαρμογές με εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις απαγωγής θερμότητας και αυστηρή ακρίβεια, όπως στρατιωτικά ραντάρ και τσιπ κβαντικών υπολογιστών και τσιπ απομάκρυνσης θερμότητας ακριβείας.
Διανομείς θερμότητας διαμαντιών μονοκρυστάλλων-(αριστερά) και πολυκρυσταλλικών (δεξιά). Πηγή εικόνας: Worldia
Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι, λόγω των ορίων των κόκκων και άλλων παραγόντων, έχει ελαφρώς χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το μονοκρυσταλλικό διαμάντι, αλλά εξακολουθεί να φθάνει τα ~2000 W/(m·K), που είναι περισσότερο από 5 φορές από το SiC του κοινού υλικού υποστρώματος και 13 φορές από το Si. Προσφέρει επίσης πλεονεκτήματα στην αποδοτικότητα κατασκευής και το κόστος υλικού σε σύγκριση με το μονοκρύσταλλο-διαμάντι. Σε συσκευές ημιαγωγών ισχύος, όπως μονάδες IGBT, μπορεί να χρησιμεύσει ως υπόστρωμα αποβολής θερμότητας- στενά συνδεδεμένο στο πίσω μέρος του τσιπ για να διοχετεύει αποτελεσματικά τη θερμότητα. Σε φωτισμό LED υψηλής ισχύος, χρησιμοποιείται ως διανομέας θερμότητας ή υλικό συσκευασίας για τη μείωση της φωτεινής αποσύνθεσης και την παράταση της διάρκειας ζωής του λαμπτήρα. Χρησιμοποιείται επίσης ως ψύκτρα για διόδους λέιζερ, βοηθώντας στη βελτίωση της ισχύος και της σταθερότητας εξόδου λέιζερ.
Τον Φεβρουάριο του τρέχοντος έτους, η Huanghe Whirlwind εγκαινίασε επίσημα τη γραμμή παραγωγής της για διανομείς θερμότητας πολυκρυσταλλικών διαμαντιών 8-ιντσών, σηματοδοτώντας μια κρίσιμη μετάβαση από την εργαστηριακή τεχνολογία στη μαζική παραγωγή. Πρόσφατα, η Huifeng Diamond ανακοίνωσε επίσης σταθερή παραγωγή υψηλής ποιότητας-διανομέων θερμότητας πολυκρυσταλλικών διαμαντιών CVD 8 ιντσών. Καθώς οι διαστάσεις αυξάνονται, περισσότερες μονάδες διασποράς θερμότητας μπορούν να κοπούν από το ίδιο υπόστρωμα, βελτιώνοντας τη χρήση του υλικού, μειώνοντας το κόστος κατασκευής της μονάδας και καλύπτοντας περαιτέρω τις προηγμένες απαιτήσεις συσκευασίας ημιαγωγών και παραγωγής παρτίδων.
(3) Οπτικές Εφαρμογές
Το Diamond δεν είναι μόνο ένας εξαιρετικός θερμικός αγωγός. Οι οπτικές του ιδιότητες το καθιστούν επίσης ιδιαίτερα πολύτιμο στο οπτικό πεδίο. Το μονοκρύσταλλο διαμάντι έχει υψηλό δείκτη διάθλασης και εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή απορρόφησης, με αποτέλεσμα την ελάχιστη απώλεια φωτός κατά τη μετάδοση. Όταν είναι γυαλισμένο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υπέρυθρα οπτικά παράθυρα, αντικειμενικά μικροσκοπίου υψηλών-τερμάτων και πολλά άλλα. Το διαμάντι-μονόκρυσταλλο υψηλής ποιότητας-που παρασκευάζεται από την CVD μπορεί να είναι εντελώς άχρωμο και διαφανές, με εξαιρετική μετάδοση από την υπεριώδη έως την υπέρυθρη ακτινοβολία, ακόμη και από το φάσμα των μικροκυμάτων. Το πολυκρυσταλλικό διαμάντι υποφέρει από περιορισμένη οπτική ομοιομορφία λόγω της σκέδασης ορίων κόκκων, αλλά μετά από ειδική βελτιστοποίηση της διαδικασίας για τον έλεγχο του μεγέθους των κόκκων και τη μείωση των ορίων των κόκκων-, μπορεί να εφαρμοστεί σε περιοχές όπου είναι αποδεκτές οι απαιτήσεις ευαισθησίας κόστους και σχετικά μέτριας οπτικής ακρίβειας, όπως ορισμένες συσκευές φωτισμού και οθόνης.