Diament - proces wytwarzania warstw diamentowych dawniej i dziś

Diament jest jednym z najbardziej interesujących minerałów, który od dawna zajmuje specjalne miejsce w sercach i umysłach zarówno zwykłych ludzi jak również naukowców.

Dla naukowców jest niezwykle cenny ze względu szeroki wachlarz niezwykłych własności fizycznych.

Diament jest najtwardszy ze znanych minerałów, charakteryzuje się bardzo małym współczynnikiem tarcia, ma najmniejszy współczynnik rozszerzalności termicznej, jest chemicznie obojętny i odporny na ścieranie, jest izolatorem elektrycznym i jednocześnie bardzo dobrym przewodnikiem ciepła oraz jest przeźroczysty poczynając od ultrafioletu po daleką podczerwień. Ze względu na tak unikalne właściwości może potencjalnie znaleźć zastosowanie, włączając oczywiście zastosowanie jubilerskie, jako elementy odprowadzające ciepło (radiatory), materiał ścierny, powłoki ochronne w urządzeniach tnących. Ostatnie sukcesy syntezy diamentu z fazy gazowej (CVD) pokazały, że możliwa jest produkcja ciągłych polikrystalicznych warstw diamentowych. Diamenty otrzymywane tą metodą charakteryzują się właściwościami mechanicznymi, trybologicznymi a nawet elektrycznymi podobnymi do tych, jakie mają diamenty naturalne.

Badania dotyczące syntezy diamentu rozpoczęły się po odkryciu przez Smithsona Tennata w roku 1766, że diament jest postacią krystaliczną węgla pierwiastkowego.

W wieku XIX wiedziano już, że diamenty powstają głęboko pod powierzchnią skorupy ziemskiej w warunkach wysokich temperatur (powyżej 2000K) i wysokich ciśnień (powyżej 10 GPa) i takie warunki starano się odtworzyć w warunkach laboratoryjnych. Pierwszy, opatentowany w roku 1955 sukces syntezy diamentu w wyniku konwersji grafitu należy do firmy General Electric, USA.

  

Do dzisiaj tą metodą produkuje się każdego roku wiele ton proszku diamentowego, który wykorzystywany jest głównie jako materiał ścierny, polerujący czy też tnący.

W przeciwieństwie do metod HPHT, metody syntezy z fazy gazowej pracują w znacznie mniejszych ciśnieniach (poniżej atmosferycznego) oraz temperaturach poniżej 1000K. Proces CVD polega na bezpośrednim odkładaniu atomów węgla, którego źródłem są rodniki z fazy gazowej, na podłożu. Prowadzenie procesu wzrostu z fazy gazowej polega na odpowiednim dobraniu parametrów syntezy w celu uzyskania stabilizacji struktury diamentu. Rodniki węglowodorowe uzyskuje się poprzez aktywację gazu roboczego m.in. za pomocą: 1) aktywacja termiczna (gorące włókno), 2) wyładowanie stałoprądowe (DC), wyładowanie o częstości radiowej (RF), plazma mikrofalowa, 3) metoda płomieniowa (palnik tlenowo-acetylenowy.

 

Rys.2. przedstawia typowy schemat reaktora opartego na gorącym włóknie – metoda HF CVD.

 

Warstwy diamentowe otrzymywane tą metodą są zwykle poliktrystaliczne o morfologii zależnej od warunków syntezy. Jednymi z najważniejszych parametrów mających wpływ na jakość otrzymywanych warstw (stosunek wiązań o hybrydyzacji sp³ do wiązań o hybrydyzacji sp², morfologia, koncentracja defektów) są temperatura włókna, temperatura podłoża, skład gazu roboczego, jego ciśnienie i prędkość przepływu.

W wyniku procesu CVD mogą powstawać mikrokrystality diamentowe o różnych kształtach i zbliźniaczeniach, a nawet krystality w formie kuli złożonej z bardzo wielu krystalitów o wielkości rzędu nanometrów jak to zilustrowano na Rys.3.

  

Rys. 3

Morfologie warstw ciągłych pokazano na Rys. 4.

  

Rys. 4