1 Увод
Дијамант поседује одлична механичка, оптичка, термичка и електрична својства, што га чини типичним мултифункционалним материјалом са широким изгледима за примену у многим{0}}областима високе технологије као што су ваздухопловство, енергија, интелигентни сензори и прецизна обрада [1]. Са све већом потражњом за дијамантима, резерве природних дијаманата су ограничене и изузетно скупе, што не може задовољити растуће друштвене потребе. Стога, истраживачи континуирано истражују нове методе за вештачку синтезу дијаманата.
Главне методе за добијање синтетичког дијаманта су метода високог-притиска и високе температуре (ХПХТ) и хемијско таложење паре (ЦВД). Честице дијаманта синтетизоване ХПХТ методом су углавном мале величине и често садрже велику количину нечистоћа катализатора. Стога је њихов обим примене ограничен, пре свега на абразиве и алате (нпр. поликристални дијамант, ПЦД) [2]. Последњих година, технологија хемијског таложења паре (ЦВД) се појавила као веома обећавајућа истраживачка тачка. Кристали дијаманата припремљени ЦВД-ом имају величину зрна и кристалне облике најближе онима природног дијаманта и показују одлична својства [3].
2 Припрема дијамантских филмова ЦВД-ом
ЦВД метода је кључна технологија за припрему танких филмова хемијским путем. Широко се користи у припреми различитих танкослојних материјала и такође је важан метод за производњу дијамантских филмова. Последњих година, истраживање синтезе дијамантског филма помоћу ЦВД-а брзо је напредовало, а сада су постигнуте-могућности производње и примене великих размера.
2.1 Механизам раста [4]
ЦВД синтеза дијаманта генерално укључује разлагање прекурсора-који садрже угљеник коришћењем енергије у редукционој атмосфери за стварање атомског водоника, што олакшава раст дијаманата. Процес раста посебно укључује следеће основне кораке: (1) Прекурсор (пример ЦХ₄) се уводи у ЦВД реактор; (2) Гасни претходник се разлаже енергијом (плазма или топлотна енергија) на слободне радикале (ЦₓХᵧ, итд.); (3) Слободни радикали се сударају једни са другима док не стигну до површине супстрата; (4) Слободни радикали се адсорбују на површини супстрата; (5) Адсорбовани слободни радикали се разлажу и формирају активни угљеник и дифундују по површини; (6) Активне врсте формирају дијамантску решетку; (7) Не-неактивне врсте (као што је водоник) се десорбују са површине, формирајући молекуле водоника или друге{11}}производе; (8) Нус{13}}производи дифундују даље од површине кроз гранични слој и на крају се уклањају протоком гаса.
2.2 Технике припреме
Од појаве ЦВД припреме дијаманата 1980-их, истраживачи су спровели трајне{1}}дубинске студије, што је довело до развоја различитих ЦВД метода [5]. Тренутно, технике припреме зрелог дијамантског филма укључују ЦВД са врућим филаментом (ХФЦВД), микроталасну плазма ЦВД (МПЦВД) и ЦВД са плазма млазним луком једносмерне струје (ДЦПЈЦВД).
2.2.1 Хот Филамент ЦВД (ХФЦВД)
У ХФЦВД методи, угљоводонични гасови као што су метан (ЦХ4) и ацетилен, заједно са водоником (Х2), се уводе у реакциону комору. Температура филамента у комори је изнад 2000 степени, а мешани гас се разлаже на високој температури да би се произвели сп³ хибридизовани угљенични радикали неопходни за синтезу дијаманата, који затим формирају дијамантски филм на површини супстрата [6].
ХФЦВД метода има предности једноставне опреме, високе стопе таложења филма, једноставног рада, ниске цене и зреле технологије. Широко се користи у индустријској производњи и такође је једна од главних метода за припрему микрокристалних дијамантских превлака, нанокристалних дијамантских премаза и угљеничних премаза сличних дијаманту- [2]. Његови недостаци укључују: врући филамент не побуђује гас у високом степену, а сам филамент може контаминирати дијамантски филм; филамент је склон деформацији током загревања, што деградира униформност депонованог филма; а филамент има кратак животни век, што га чини непогодним за дуготрајно-таложење узорака дебелог филма [7].
Тренутно су истраживања о припреми дијамантског филма коришћењем ХФЦВД релативно зрела како на домаћем тако и на међународном нивоу. Међутим, потребно је даље истраживање о томе како прилагодити параметре процеса да би се побољшао квалитет дијамантског филма [2]. Кључни параметри процеса укључују брзину и однос протока гаса, температуру филамента, тип и температуру супстрата и притисак у реакционој комори.
2.2.2 Једносмерни лук са плазма млазом ЦВД (ДЦПЈЦВД)
Метода ДЦПЈЦВД је јединствена техника раста ЦВД дијаманата коју су развили кинески истраживачи [4]. Његов принцип је коришћење ДЦ лучног пражњења велике снаге да би се реакциони гас који се углавном састоји од ЦХ₄-Х₂-Ар побуђивао у плазму, која се затим великом брзином избацује на површину супстрата, одлажући дијамантски филм [7].
У поређењу са другим ЦВД техникама таложења, ДЦПЈЦВД има предности највеће стопе таложења, ниског напона пражњења, велике струје пражњења, високог степена јонизације, високе густине плазме и велике површине таложења. Његова максимална брзина таложења може да достигне 1000 μм/х, што га чини погодним за производњу дијамантских филмова-великих површина. То је тренутно најбржи метод за синтезу дијамантских филмова, али захтева значајна улагања у опрему, сложену обраду, а униформност филма и даље треба побољшати [4].
У Кини, Универзитет науке и технологије у Пекингу и Хебеи академија наука су заједнички развили и побољшали ову технологију [8]. Тренутно су дијамантски филмови припремљени ДЦ арц плазма млазном технологијом у Кини на напредном нивоу у погледу квалитета и површине у поређењу са онима произведеним истом методом у иностранству, а сродни производи дијамантске фолије већ су ушли на међународно тржиште у великим количинама као супертврди материјали за алат.
2.2.3 Микроталасна плазма ЦВД (МПЦВД)
У МПЦВД методи за припрему дијамантског филма, високо{0}}електромагнетно поље које генерише микроталасни магнетрон изазива снажне осцилације електрона у скученом простору. Ови електрони се интензивно сударају са молекулима гаса и атомима у свемиру, јонизујући гас и стварајући активне радикале као што су -ЦХ3 и Х. Ове активне врсте пролазе кроз физичко-хемијске реакције, крећу се ка супстрату, а затим адсорбују, дифундују, стварају језгру и расту на површини супстрата [9, на крају стварајући дијамантски филм].
Значајна карактеристика МПЦВД-а је да микроталасна плазма може да постигне стабилно пражњење без електрода преко -електричног поља високе фреквенције, чиме се смањује контаминација узорка. Поред тога, микроталасна пећница изазива снажне осцилације гаса, ефикасно активирајући гас и стварајући плазму велике-густине, што омогућава раст -квалитетних дијамантских филмова [10]. Потешкоћа лежи у формирању велике и униформне површине таложења, на коју утичу многи фактори, укључујући дистрибуцију електричног поља у шупљини, варијацију температуре супстрата, снагу микроталаса и дистрибуцију активних радикала. Штавише, стопа таложења дијамантског филма је генерално нижа од оне код ЦВД млазног плазма млазног лука [4].
Да би компензовали ниску стопу таложења МПЦВД-а, страни истраживачи су континуирано повећавали улазну снагу опреме како би побољшали стопу таложења. Током деценија развоја, снага је порасла са неколико стотина вати на скоро 100 кВ, значајно побољшавајући област таложења, брзину таложења и квалитет дијамантских филмова. Домаћа истраживања о припреми дијаманата МПЦВД почела су релативно касно, али кроз континуирано истраживање и развој, Кина је у великој мери одржала корак са међународним напретком, иако остају празнине у квалитету и комерцијалним применама. У последњих 20 година, домаћи истраживачки тимови су се фокусирали на дизајн резонатора како би се бавили великим{5}}комерцијалним развојем дијаманата [11].
3 Примене дијамантских филмова
3.1 Оптичке апликације
Дијамантски филмови поседују одлична оптичка својства, укључујући високу пропусност, низак индекс преламања и ниско расејање. Често се користе за производњу оптичких прозора, оптичких сочива и других компоненти, са изузетним изгледима за примену у високој{1}}области као што су војска, комуникације и сателитска технологија. Дијамантски филмови имају одличне физичко-хемијске особине, посебно добру пропусност од ултраљубичастог до далеког-инфрацрвеног и микроталасног опсега. Када се користе за оптичке прозоре, они могу ефикасно да избегну ефекте термичких сочива, ерозију кише, ерозију песка и оптичко изобличење. Поред тога, дијамантски филмови се често користе у рендгенским прозорима и маскама, метама за пренос рендгенских зрака, оптичким сочивима и другим уређајима [12].
3.2 Термичке примене
У прошлости, велика густина, велика снага и мала запремина постали су стални трендови у развоју електронских уређаја у области микроелектронике. Међутим, са овим трендом, топлота коју производе компоненте ће се значајно повећати. ЦВД дијамантски филмови имају својства упоредива са онима природног дијаманта, посебно изузетно низак коефицијент топлотног ширења, ултра-високу топлотну проводљивост и електричну изолацију. Они су идеални расхладни материјали и материјали за паковање, који се широко користе у-ласерским уређајима велике снаге,-интегрисаним колима великих размера, РФ транзисторима снаге,-оптичким прозорима велике снаге и другим уређајима.
3.3 Акустичне апликације
Са широко распрострањеним усвајањем аудио опреме, захтеви потрошача за квалитетом звучника су стално расли. У поређењу са традиционалним материјалима дијафрагме као што су угљенична влакна, керамика и берилијум, дијамантски филмови имају нижу густину и већи модул еластичности. У исто време, границе зрна у поликристалним дијамантским филмовима могу да обезбеде идеално унутрашње трење, дајући им свеобухватна својства далеко супериорнија од оних традиционалних материјала, што дијамант чини одличним избором за дијафрагме звучника. Поред тога, коришћење медија велике акустичне брзине је кључно средство за повећање радне фреквенције уређаја. Дијамант је тренутно материјал са највећом познатом брзином простирања звука, који може у великој мери побољшати радну фреквенцију уређаја површинских акустичних таласа (САВ), омогућавајући међусобну конверзију РФ сигнала и механичких вибрација, и нуди широку примену у сателитским, мобилним комуникацијама и другим областима [10].
3.4 Електричне апликације
Због широког појаса дијаманта, велике покретљивости електрона и рупа, великог електричног поља, ниске диелектричне константе, високе отпорности и високе топлотне проводљивости, веома је погодан за високо интегрисане полупроводничке уређаје који раде под високим температурама, великом пристрасношћу, великом снагом и високим условима зрачења. Стога се очекује да дијамант замени силицијум као идеалан материјал за електронске уређаје који морају поуздано да раде у тешким условима као што су висока температура и отпорност на зрачење.
3.5 Биомедицинске примене
Дијамантски филмови комбинују добру биокомпатибилност, одличне механичке особине и хемијску стабилност, што их чини веома обећавајућим биоматеријалима следеће{0} генерације. Њихова супериорна механичка својства и хемијска стабилност могу у великој мери да смање хабање и електрохемијску корозију имплантата обложених дијамантом-. Површинска модификација, биокомпатибилност и одлична електрична проводљивост након допинга ЦВД дијамантских филмова такође их чине одличном подршком за биосензоре. У поређењу са другим носачима, биосензори засновани на дијамантским филмским супстратима нуде већу стабилност, поузданост и осетљивост.