1 Bevezetés
A gyémánt kiváló mechanikai, optikai, termikus és elektromos tulajdonságokkal rendelkezik, így tipikus többfunkciós anyag, amely széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkezik számos csúcstechnológiai területen, például a repülés, az energia, az intelligens érzékelők és a precíziós megmunkálás területén [1]. A gyémánt iránti növekvő kereslet miatt a természetes gyémántkészletek korlátozottak és rendkívül drágák, ami nem tudja kielégíteni a növekvő társadalmi igényeket. Ezért a kutatók folyamatosan új módszereket kutatnak a gyémánt mesterséges szintetizálására.
A szintetikus gyémánt előállításának fő módszerei a nagy{0}}nyomású magas-hőmérsékletű (HPHT) módszer és a kémiai gőzleválasztás (CVD). A HPHT módszerrel szintetizált gyémánt részecskék többnyire kis méretűek, és gyakran nagy mennyiségű katalizátor szennyeződést tartalmaznak. Ezért alkalmazási körük elsősorban csiszolóanyagokra és szerszámokra korlátozódik (pl. polikristályos gyémánt, PCD) [2]. Az elmúlt években a kémiai gőzlerakódás (CVD) technológia rendkívül ígéretes kutatási hotspottá vált. A CVD-vel előállított gyémántkristályok szemcsemérete és kristályformája a természetes gyémánthoz legközelebb áll, és kiváló tulajdonságokat mutatnak [3].
2 Gyémántfilmek készítése CVD-vel
A CVD-módszer a vékonyrétegek kémiai úton történő előállításának kulcstechnológiája. Széles körben alkalmazzák különféle vékonyréteg-anyagok előállítására, és fontos módszer a gyémántfilmek előállítására is. Az elmúlt években a CVD-vel végzett gyémántfilm-szintézissel kapcsolatos kutatások gyorsan fejlődtek, és mára nagyszabású-gyártási és alkalmazási lehetőségeket sikerült elérni.
2.1. Növekedési mechanizmus [4]
A gyémánt CVD-szintézise általában szén{0}}tartalmú prekurzorok lebontását foglalja magában, energiát használva redukáló atmoszférában atomi hidrogén előállítására, ami elősegíti a gyémánt növekedését. A növesztési folyamat konkrétan a következő alapvető lépéseket tartalmazza: (1) A prekurzort (például CH4) bevezetjük a CVD-reaktorba; (2) A gáz-halmazállapotú prekurzort energia (plazma vagy hőenergia) szabad gyökökké (CₓHᵧ stb.) bontja le; (3) A szabad gyökök addig ütköznek egymással, amíg el nem érik a hordozó felületét; (4) A szabad gyökök adszorbeálódnak a hordozó felületén; (5) Az adszorbeált szabad gyökök lebomlanak, és aktív szénfajtákat képeznek, és a felületen diffundálnak; (6) Az aktív fajok alkotják a gyémántrácsot; (7) A nem{10}}aktív anyagok (például a hidrogén) deszorbeálódnak a felületről, és hidrogénmolekulákat vagy más melléktermékeket képeznek; (8) A melléktermékek a határrétegen keresztül eldiffundálnak a felületről, és végül az ömlesztett gázáramlás eltávolítja őket.
2.2 Előkészítési technikák
A CVD-gyémánt-preparáció 1980-as évekbeli megjelenése óta a kutatók hosszan tartó, mélyreható{1}}vizsgálatokat végeztek, amelyek különféle CVD-módszerek kifejlesztéséhez vezettek [5]. Jelenleg az érett gyémántfilm-előkészítési technikák közé tartozik a hot filament CVD (HFCVD), a mikrohullámú plazma CVD (MPCVD) és az egyenáramú íves plazmasugaras CVD (DCPJCVD).
2.2.1 Hot Filament CVD (HFCVD)
A HFCVD eljárás során szénhidrogén gázokat, például metánt (CH4) és acetilént vezetnek be hidrogénnel (H2) együtt a reakciókamrába. Az izzószál hőmérséklete a kamrában 2000 fok felett van, és a kevert gáz magas hőmérsékleten lebomlik, hogy a gyémántszintézishez szükséges sp3 hibridizált széngyököket hozzon létre, amelyek azután gyémántfilmet képeznek a hordozó felületén [6].
A HFCVD módszer előnye az egyszerű berendezés, a nagy filmlerakódási sebesség, a könnyű kezelhetőség, az alacsony költség és a kiforrott technológia. Széles körben alkalmazzák az ipari termelésben, és a mikrokristályos gyémánt bevonatok, nanokristályos gyémánt bevonatok és a gyémántszerű szénbevonatok [2] előállításának egyik fő módszere. Hátrányai: a forró izzószál nem gerjeszti nagy mértékben a gázt, és maga az izzószál szennyezheti a gyémántfilmet; az izzószál hajlamos deformációra melegítés közben, ami rontja a lerakódott film egyenletességét; és az izzószál rövid élettartamú, ezért nem alkalmas vastag filmminták hosszú távú lerakására [7].
Jelenleg a HFCVD-vel végzett gyémántfilm-előkészítéssel kapcsolatos kutatások viszonylag kiforrott hazai és nemzetközi szinten egyaránt. Azonban még további kutatásra van szükség a folyamat paramétereinek beállításával kapcsolatban a gyémántfilm minőségének javítása érdekében [2]. A legfontosabb folyamatparaméterek közé tartozik a gáz áramlási sebessége és aránya, az izzószál hőmérséklete, a szubsztrátum típusa és hőmérséklete, valamint a reakciókamra nyomása.
2.2.2 Egyenáramú Arc Plasma Jet CVD (DCPJCVD)
A DCPJCVD módszer egy egyedülálló CVD gyémánt növekedési technika, amelyet kínai kutatók fejlesztettek ki [4]. Elve az, hogy nagy-teljesítményű egyenáramú ívkisüléssel egy főként CH₄-H₂-Ar-ból álló reakciógázt plazmává gerjesztenek, amelyet azután nagy sebességgel löknek ki a hordozó felületére, gyémántfilmet képezve [7].
Más CVD-leválasztási technikákkal összehasonlítva a DCPJCVD előnyei a legmagasabb leválasztási sebesség, alacsony kisülési feszültség, nagy kisülési áram, nagy ionizációs fok, nagy plazmasűrűség és nagy leválasztási terület. Maximális lerakódási sebessége elérheti az 1000 μm/h-t, így alkalmas nagy-felületű gyémántfilmek gyártására. Jelenleg ez a leggyorsabb módszer a gyémántfilmek szintetizálására, de jelentős eszközbefektetést, összetett feldolgozást igényel, és a film egyenletessége még javításra szorul [4].
Kínában a Pekingi Tudományos és Technológiai Egyetem és a Hebei Tudományos Akadémia közösen fejlesztette és finomította ezt a technológiát [8]. Jelenleg a Kínában egyenáramú ívplazmasugaras technológiával előállított gyémántfóliák minőségi és területi szempontból előrehaladott szinten állnak a külföldön azonos módszerrel előállítottakhoz képest, és a kapcsolódó gyémántfólia termékek már ömlesztve, szuperkemény szerszámanyagként kerültek a nemzetközi piacra.
2.2.3 Mikrohullámú Plasma CVD (MPCVD)
A gyémántfilm-előkészítés MPCVD-módszerében a mikrohullámú magnetron által generált nagy{0}frekvenciás elektromágneses tér az elektronok erőteljes oszcillációját okozza egy zárt térben. Ezek az elektronok intenzíven ütköznek a térben lévő gázmolekulákkal és atomokkal, ionizálják a gázt és olyan aktív gyököket hoznak létre, mint a -CH₃ és H. Ezek az aktív fajok fizikai-kémiai reakciókon mennek keresztül, a szubsztrát felé haladnak, majd adszorbeálódnak, diffundálnak, magképződnek és a szubsztrát felületén nőnek, végül [9] gyémántfilmet képeznek.
Az MPCVD figyelemre méltó jellemzője, hogy a mikrohullámú plazma elektródák nélkül is stabil kisülést tud elérni a nagy-frekvenciás elektromos téren keresztül, ezáltal csökkentve a minta szennyeződését. Ezenkívül a mikrohullámú sütő erőteljes gázoszcillációt okoz, hatékonyan aktiválja a gázt, és nagy-sűrűségű plazmát hoz létre, ami lehetővé teszi a jó-minőségű gyémántfilmek növekedését [10]. A nehézség egy nagy és egyenletes lerakódási terület kialakításában rejlik, amelyet számos tényező befolyásol, beleértve az elektromos tér eloszlását az üregben, az aljzat hőmérsékletének változását, a mikrohullámú teljesítményt és az aktív gyökök eloszlását. Ezenkívül a gyémántfilm leválasztási sebessége általában alacsonyabb, mint az egyenáramú íves plazmasugaras CVD [4].
Az MPCVD alacsony lerakódási sebességének kompenzálására a külföldi kutatók folyamatosan növelték a berendezés bemeneti teljesítményét, hogy növeljék a lerakódási sebességet. A fejlesztés évtizedei alatt a teljesítmény néhány száz wattról közel 100 kW-ra nőtt, ami jelentősen javította a gyémántfilmek lerakódási területét, leválasztási sebességét és minőségét. Az MPCVD gyémánt előkészítésével kapcsolatos hazai kutatások viszonylag későn kezdődtek, de a folyamatos kutatás és fejlesztés révén Kína nagyrészt lépést tartott a nemzetközi fejlődéssel, bár továbbra is hiányosságok vannak a minőség és a kereskedelmi alkalmazások terén. Az elmúlt 20 évben a hazai kutatócsoportok a rezonátorok tervezésére összpontosítottak, hogy nagyszabású,{5}}kereskedelmi gyémántfejlesztést folytassanak [11].
3 A gyémánt fóliák alkalmazásai
3.1 Optikai alkalmazások
A gyémánt fóliák kiváló optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, beleértve a nagy áteresztőképességet, az alacsony törésmutatót és az alacsony szórást. Gyakran használják optikai ablakok, optikai lencsék és egyéb alkatrészek gyártására, amelyek kiemelkedő alkalmazási lehetőségeket kínálnak a csúcstechnológiás{1}}területeken, például a katonai, a kommunikációs és a műholdas technológia területén. A gyémántfilmek kiváló fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, különösen jó az ultraibolya sugárzástól a távoli -infravörös és mikrohullámú tartományig való áteresztőképességük. Optikai ablakokhoz használva hatékonyan elkerülhetők a lencse termikus hatásai, az esőerózió, a homok eróziója és az optikai torzítás. Ezenkívül a gyémántfilmeket gyakran használják röntgenablakokban és -maszkokban, röntgensugár-átviteli célpontokban, optikai lencsékben és más eszközökben [12].
3.2 Termikus alkalmazások
A múltban a nagy sűrűség, a nagy teljesítmény és a kis térfogat az elektronikus eszközök fejlesztésének folyamatos trendjévé vált a mikroelektronika területén. Ezzel a tendenciával azonban az alkatrészek által termelt hő jelentősen megnő. A CVD gyémánt fóliák a természetes gyémánthoz hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, különösen alacsony hőtágulási együtthatóval, ultra-nagy hővezető képességgel és elektromos szigeteléssel rendelkeznek. Ideális hűtőbordák és csomagolóanyagok, amelyeket széles körben használnak nagy-teljesítményű lézeres eszközökben, nagy-méretű integrált áramkörökben, RF teljesítménytranzisztorokban, nagy-teljesítményű optikai ablakokban és más eszközökben.
3.3 Akusztikai alkalmazások
Az audioberendezések széles körű elterjedésével folyamatosan nőtt a fogyasztói igény a hangsugárzók minősége iránt. A hagyományos membránanyagokhoz, például szénszálhoz, kerámiához és berilliumhoz képest a gyémántfóliák kisebb sűrűséggel és nagyobb rugalmassági modulussal rendelkeznek. Ugyanakkor a polikristályos gyémánt fóliák szemcsehatárai ideális belső súrlódást biztosítanak, átfogó tulajdonságokat biztosítva a hagyományos anyagokhoz képest, így a gyémánt kiváló választás hangszórómembránokhoz. Ezenkívül a nagy akusztikus sebességű közeg használata kulcsfontosságú eszköz az eszközök működési frekvenciájának növelésére. A gyémánt jelenleg a legnagyobb ismert akusztikus terjedési sebességű anyag, amely nagymértékben javíthatja a felületi akusztikus hullám (SAW) készülékek működési frekvenciáját, lehetővé téve az RF jelek és mechanikai rezgések egymásba történő átalakítását, és széles körű alkalmazási lehetőségeket kínál a műholdas, mobilkommunikációs és egyéb területeken [10].
3.4 Elektromos alkalmazások
A gyémánt széles sávszélessége, nagy elektron- és lyukmobilitása, nagy áttörési elektromos mezője, alacsony dielektromos állandója, nagy ellenállása és magas hővezető képessége miatt kiválóan alkalmas magas hőmérsékleten, nagy előfeszítéssel, nagy teljesítményű és nagy sugárzási körülmények között működő, erősen integrált félvezető eszközökhöz. Ezért a gyémánt várhatóan felváltja a szilíciumot, mint ideális anyag az elektronikus eszközök számára, amelyeknek megbízhatóan kell működniük olyan zord körülmények között is, mint a magas hőmérséklet és sugárzásállóság.
3.5 Orvosbiológiai alkalmazások
A gyémántfóliák a jó biokompatibilitást, a kiváló mechanikai tulajdonságokat és a kémiai stabilitást egyesítik, így rendkívül ígéretesek a következő generációs-bioanyagok. Kiváló mechanikai tulajdonságaik és kémiai stabilitásuk nagymértékben csökkentheti a gyémánt-bevonatú implantátumok kopását és elektrokémiai korrózióját. A CVD gyémánt fóliák felületének módosíthatósága, biokompatibilitása és kiváló elektromos vezetőképessége adalékolás után a bioszenzorok kiváló támaszaivá is teszik. Más támasztékokhoz képest a gyémánt fólia alapú bioszenzorok nagyobb stabilitást, megbízhatóságot és érzékenységet kínálnak.