1 Introduktion
Diamond har utmärkta mekaniska, optiska, termiska och elektriska egenskaper, vilket gör det till ett typiskt multifunktionellt material med breda användningsmöjligheter inom många hög-teknologiska områden som flyg, energi, intelligenta sensorer och precisionsbearbetning [1]. Med den ökande efterfrågan på diamant är naturliga diamantreserver begränsade och extremt dyra, vilket inte kan möta de växande sociala behoven. Därför har forskare kontinuerligt utforskat nya metoder för att syntetisera diamant på konstgjord väg.
De viktigaste metoderna för att framställa syntetisk diamant är hög-högtrycks--temperaturmetoden (HPHT) och kemisk ångavsättning (CVD). Diamantpartiklar syntetiserade med HPHT-metoden är oftast små i storlek och innehåller ofta en stor mängd katalysatorföroreningar. Därför är deras tillämpningsområde begränsad, främst till slipmedel och verktyg (t.ex. polykristallin diamant, PCD) [2]. Under de senaste åren har teknologin för kemisk ångdeposition (CVD) dykt upp som en mycket lovande forskningshotspot. Diamantkristaller framställda av CVD har kornstorlekar och kristallformer som ligger närmast dem hos naturlig diamant och uppvisar utmärkta egenskaper [3].
2 Förberedelse av diamantfilmer med CVD
CVD-metoden är en nyckelteknologi för framställning av tunna filmer på kemisk väg. Det har använts i stor utsträckning vid framställning av olika tunnfilmsmaterial och är också en viktig metod för framställning av diamantfilmer. Under de senaste åren har forskningen om diamantfilmsyntes med CVD utvecklats snabbt, och storskaliga produktions- och tillämpningsmöjligheter har nu uppnåtts.
2.1 Tillväxtmekanism [4]
CVD-syntes av diamant involverar i allmänhet nedbrytning av kol-innehållande prekursorer med hjälp av energi i en reducerande atmosfär för att generera atomärt väte, vilket underlättar diamanttillväxt. Tillväxtprocessen inkluderar specifikt följande grundläggande steg: (1) Prekursorn (exempelvis CH4) införs i CVD-reaktorn; (2) Den gasformiga prekursorn sönderdelas av energi (plasma eller termisk energi) till fria radikaler (CₓHᵧ, etc.); (3) Fria radikaler kolliderar med varandra tills de når substratytan; (4) Fria radikaler adsorberar på substratytan; (5) De adsorberade fria radikalerna sönderdelas för att bilda aktiva koltyper och diffunderar på ytan; (6) Aktiva arter bildar diamantgittret; (7) Icke-aktiva arter (som väte) desorberar från ytan och bildar vätemolekyler eller andra{11}}biprodukter; (8) Biprodukter diffunderar bort från ytan genom gränsskiktet och avlägsnas så småningom av bulkgasflödet.
2.2 Beredningstekniker
Sedan framväxten av CVD-diamantpreparering på 1980-talet har forskare genomfört långa-djupgående studier, vilket lett till utvecklingen av olika CVD-metoder [5]. För närvarande inkluderar tekniker för framställning av mogna diamantfilmer varm filament CVD (HFCVD), mikrovågsplasma CVD (MPCVD) och likströmsbåge plasmajet CVD (DCPJCVD).
2.2.1 Hot Filament CVD (HFCVD)
I HFCVD-metoden införs kolvätegaser såsom metan (CH4) och acetylen, tillsammans med väte (H2), i reaktionskammaren. Filamenttemperaturen i kammaren är över 2000 grader och den blandade gasen sönderdelas vid hög temperatur för att producera sp³ hybridiserade kolradikaler som är nödvändiga för diamantsyntes, som sedan bildar en diamantfilm på substratytan [6].
HFCVD-metoden har fördelarna med enkel utrustning, hög filmavsättningshastighet, enkel användning, låg kostnad och mogen teknologi. Det har använts i stor utsträckning i industriell produktion och är också en av huvudmetoderna för att framställa mikrokristallina diamantbeläggningar, nanokristallina diamantbeläggningar och diamantliknande kolbeläggningar [2]. Dess nackdelar inkluderar: det varma glödtråden exciterar inte gasen i hög grad, och själva glödtråden kan förorena diamantfilmen; filamentet är benäget att deformeras under uppvärmning, vilket försämrar likformigheten hos den avsatta filmen; och glödtråden har en kort livslängd, vilket gör den olämplig för lång-avsättning av tjockfilmsprover [7].
För närvarande är forskning om diamantfilmframställning med HFCVD relativt mogen både nationellt och internationellt. Men ytterligare utforskning behövs fortfarande om hur man justerar processparametrar för att förbättra diamantfilmkvaliteten [2]. Nyckelprocessparametrar inkluderar gasflödeshastighet och förhållande, filamenttemperatur, substrattyp och temperatur samt reaktionskammartryck.
2.2.2 Likström Arc Plasma Jet CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD-metoden är en unik CVD-diamanttillväxtteknik utvecklad av kinesiska forskare [4]. Dess princip är att använda hög-likströmsljusbågarladdning för att excitera en reaktionsgas som huvudsakligen består av CH₄-H₂-Ar i ett plasma, som sedan sprutas ut med hög hastighet på substratets yta och avsätter en diamantfilm [7].
Jämfört med andra CVD-deponeringstekniker har DCPJCVD fördelarna med den högsta deponeringshastigheten, låg urladdningsspänning, hög urladdningsström, hög joniseringsgrad, hög plasmadensitet och stor deponeringsyta. Dess maximala avsättningshastighet kan nå 1000 μm/h, vilket gör den lämplig för produktion av diamantfilmer med stor-yta. Det är för närvarande den snabbaste metoden för att syntetisera diamantfilmer, men det kräver betydande utrustningsinvesteringar, komplex bearbetning, och filmens enhetlighet behöver fortfarande förbättras [4].
I Kina har University of Science and Technology Peking och Hebei Academy of Sciences tillsammans utvecklat och förfinat denna teknik [8]. För närvarande är diamantfilmer framställda av DC-bågeplasmajetteknik i Kina på en avancerad nivå vad gäller kvalitet och yta jämfört med de som produceras med samma metod utomlands, och relaterade diamantfilmprodukter har redan kommit in på den internationella marknaden i bulk som superhårda verktygsmaterial.
2.2.3 Mikrovågsplasma CVD (MPCVD)
I MPCVD-metoden för framställning av diamantfilm orsakar det högfrekventa elektromagnetiska fältet som genereras av en mikrovågsmagnetron elektroner att oscillera kraftigt i ett begränsat utrymme. Dessa elektroner kolliderar intensivt med gasmolekyler och atomer i rymden, joniserar gasen och genererar aktiva radikaler såsom -CH₃ och H. Dessa aktiva arter genomgår fysikalisk-kemiska reaktioner, rör sig mot substratet och adsorberar, diffunderar, kärnbildar och växer på substratets filmyta, vilket slutligen ger en diamant [9].
En anmärkningsvärd egenskap hos MPCVD är att mikrovågsplasman kan uppnå stabil urladdning utan elektroder via det högfrekventa elektriska fältet, och därigenom minska provkontaminationen. Dessutom orsakar mikrovågsugnen kraftig gasoscillation, aktiverar gasen effektivt och genererar plasma med hög-densitet, vilket möjliggör tillväxt av diamantfilmer av-hög kvalitet [10]. Svårigheten ligger i att bilda ett stort och enhetligt deponeringsområde, som påverkas av många faktorer, inklusive fördelningen av det elektriska fältet i kaviteten, substratets temperaturvariation, mikrovågseffekten och fördelning av aktiva radikaler. Dessutom är diamantfilmsavsättningshastigheten generellt lägre än den för DC-bågeplasmajet CVD [4].
För att kompensera för den låga avsättningshastigheten för MPCVD har utländska forskare kontinuerligt ökat utrustningens ineffekt för att öka avsättningshastigheten. Under årtionden av utveckling har effekten stigit från några hundra watt till nästan 100 kW, vilket avsevärt förbättrat avsättningsområdet, avsättningshastigheten och kvaliteten på diamantfilmer. Inhemsk forskning om MPCVD-diamantberedning startade relativt sent, men genom kontinuerlig forskning och utveckling har Kina i stort sett hållit jämna steg med internationella framsteg, även om det fortfarande finns luckor i kvalitet och kommersiella tillämpningar. Under de senaste 20 åren har inhemska forskarteam fokuserat på resonatordesign för att driva stor- kommersiell diamantutveckling [11].
3 tillämpningar av diamantfilmer
3.1 Optiska applikationer
Diamantfilmer har utmärkta optiska egenskaper, inklusive hög transmittans, lågt brytningsindex och låg spridning. De används ofta för att tillverka optiska fönster, optiska linser och andra komponenter, med enastående tillämpningsmöjligheter inom högteknologiska områden som militär-, kommunikations- och satellitteknik. Diamantfilmer har utmärkta fysikalisk-kemiska egenskaper, särskilt god transmittans från det ultravioletta till det avlägsna-infraröda och mikrovågsområdet. När de används för optiska fönster kan de effektivt undvika termiska linseffekter, regnerosion, sanderosion och optisk distorsion. Dessutom används diamantfilmer ofta i röntgenfönster och masker, röntgentransmissionsmål, optiska linser och andra enheter [12].
3.2 Termiska tillämpningar
Tidigare har hög densitet, hög effekt och liten volym blivit de pågående trenderna i utvecklingen av elektroniska enheter inom mikroelektronikområdet. Men med denna trend kommer värmen som genereras av komponenter att öka avsevärt. CVD-diamantfilmer har egenskaper som är jämförbara med naturlig diamant, särskilt en extremt låg värmeutvidgningskoefficient, ultra-hög värmeledningsförmåga och elektrisk isolering. De är idealiska kylflänsmaterial och förpackningsmaterial, som ofta används i hög-laserenheter, storskaliga integrerade kretsar, RF-transistorer, optiska fönster med hög-effekt och andra enheter.
3.3 Akustiska tillämpningar
Med den utbredda användningen av ljudutrustning har konsumenternas krav på högtalarkvalitet stadigt ökat. Jämfört med traditionella diafragmamaterial som kolfiber, keramik och beryllium har diamantfilmer lägre densitet och högre elasticitetsmodul. Samtidigt kan korngränserna i polykristallina diamantfilmer ge idealisk intern friktion, vilket ger dem omfattande egenskaper som är mycket överlägsna traditionella material, vilket gör diamant till ett utmärkt val för högtalarmembran. Dessutom är användning av media med hög akustisk hastighet ett nyckelmedel för att öka driftfrekvensen för enheter. Diamant är för närvarande materialet med den högsta kända akustiska utbredningshastigheten, vilket avsevärt kan förbättra driftsfrekvensen för ytakustiska vågor (SAW)-enheter, vilket möjliggör interkonvertering av RF-signaler och mekaniska vibrationer, och erbjuder breda tillämpningsmöjligheter inom satellit, mobilkommunikation och andra områden [10].
3.4 Elektriska tillämpningar
På grund av diamantens breda bandgap, höga elektron- och hålrörlighet, höga elektriska fält, låg dielektricitetskonstant, hög resistivitet och hög värmeledningsförmåga, är den mycket lämplig för högintegrerade halvledarenheter som arbetar under hög temperatur, hög förspänning, hög effekt och hög strålningsförhållanden. Därför förväntas diamant ersätta kisel som ett idealiskt material för elektroniska enheter som måste fungera tillförlitligt under svåra förhållanden som hög temperatur och strålningsmotstånd.
3.5 Biomedicinska tillämpningar
Diamantfilmer kombinerar god biokompatibilitet, utmärkta mekaniska egenskaper och kemisk stabilitet, vilket gör dem mycket lovande nästa-generations biomaterial. Deras överlägsna mekaniska egenskaper och kemiska stabilitet kan avsevärt minska slitage och elektrokemisk korrosion av diamant-belagda implantat. Ytmodifierbarheten, biokompatibiliteten och den utmärkta elektriska ledningsförmågan efter dopning av CVD-diamantfilmer gör dem också till utmärkta stöd för biosensorer. Jämfört med andra stöd ger biosensorer baserade på diamantfilmssubstrat högre stabilitet, tillförlitlighet och känslighet.