1 Sissejuhatus
Teemantil on suurepärased mehaanilised, optilised, termilised ja elektrilised omadused, mistõttu on see tüüpiline multifunktsionaalne materjal, millel on laialdased kasutusvõimalused paljudes kõrgtehnoloogilistes{0}}valdkondades, nagu lennundus, energeetika, intelligentsed andurid ja täppistöötlus [1]. Seoses kasvava nõudlusega teemandi järele on looduslikud teemandivarud piiratud ja äärmiselt kallid, mis ei suuda rahuldada kasvavaid sotsiaalseid vajadusi. Seetõttu on teadlased pidevalt uurinud uusi meetodeid teemandi kunstlikuks sünteesimiseks.
Peamised sünteetilise teemandi valmistamise meetodid on kõrgrõhu-kõrgtemperatuuri (HPHT) meetod ja keemiline aurustamine-sadestamine (CVD). HPHT meetodil sünteesitud teemandiosakesed on enamasti väikese suurusega ja sisaldavad sageli suures koguses katalüsaatori lisandeid. Seetõttu on nende kasutusala piiratud, peamiselt abrasiivide ja tööriistadega (nt polükristalliline teemant, PCD) [2]. Viimastel aastatel on keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) tehnoloogia kujunenud väga paljutõotavaks uurimispunktiks. CVD abil valmistatud teemantkristallide tera suurus ja kristallikuju on kõige lähedasemad loodusliku teemandi omadele ning neil on suurepärased omadused [3].
2 Teemantkilede valmistamine CVD abil
CVD-meetod on õhukeste kilede keemilise valmistamise võtmetehnoloogia. Seda on laialdaselt kasutatud erinevate õhukese kilematerjalide valmistamisel ja see on ka oluline meetod teemantkilede tootmiseks. Viimastel aastatel on CVD abil teemantkile sünteesi alased uuringud kiiresti edenenud ning nüüdseks on saavutatud suuremahulised-tootmis- ja rakendusvõimalused.
2.1 Kasvumehhanism [4]
Teemantide CVD süntees hõlmab üldiselt süsiniku{0}}sisaldavate lähteainete lagundamist, kasutades redutseerivas atmosfääris energiat aatomi vesiniku genereerimiseks, mis hõlbustab teemantide kasvu. Kasvuprotsess sisaldab konkreetselt järgmisi põhietappe: (1) prekursor (näiteks CH4) sisestatakse CVD reaktorisse; (2) Gaasiline lähteaine lagundatakse energia (plasma- või soojusenergia) toimel vabadeks radikaalideks (CₓHᵧ jne); (3) Vabad radikaalid põrkuvad üksteisega, kuni jõuavad substraadi pinnale; (4) Vabad radikaalid adsorbeeruvad substraadi pinnale; (5) Adsorbeeritud vabad radikaalid lagunevad, moodustades aktiivse süsiniku liike ja hajuvad pinnale; (6) Aktiivsed liigid moodustavad teemantvõre; (7) mitteaktiivsed osad (nagu vesinik) desorbeeruvad pinnalt, moodustades vesiniku molekule või muid kõrvalsaadusi; (8) Kõrvalsaadused difundeeruvad pinnast eemale läbi piirdekihi ja lõpuks eemaldatakse gaasivooluga.
2.2 Ettevalmistusmeetodid
Alates CVD-teemantpreparaatide ilmumisest 1980. aastatel on teadlased viinud läbi pidevaid põhjalikke{1}}uuringuid, mille tulemusel on välja töötatud erinevad CVD meetodid [5]. Praegu hõlmavad küpsete teemantkilede valmistamise meetodid kuumfilament-CVD-d (HFCVD), mikrolaineplasma-CVD-d (MPCVD) ja alalisvoolu kaar-plasmajoaga CVD-d (DCPJCVD).
2.2.1 Kuumfilament CVD (HFCVD)
HFCVD meetodi puhul juhitakse reaktsioonikambrisse süsivesinikgaase nagu metaan (CH4) ja atsetüleen koos vesinikuga (H2). Hõõgniidi temperatuur kambris on üle 2000 kraadi ja segugaas laguneb kõrgel temperatuuril, et tekitada teemandi sünteesiks vajalikke sp³ hübridiseeritud süsinikuradikaale, mis seejärel moodustavad substraadi pinnale teemantkile [6].
HFCVD-meetodi eelised on lihtsad seadmed, kõrge kile sadestamise kiirus, lihtne töö, madal hind ja küps tehnoloogia. Seda on laialdaselt kasutatud tööstuslikus tootmises ning see on ka üks peamisi meetodeid mikrokristalliliste teemantkatete, nanokristalliliste teemantkatete ja teemant{1}}taoliste süsinikkatete valmistamisel [2]. Selle puudused on järgmised: kuum hõõgniit ei erguta gaasi suurel määral ja hõõgniit ise võib saastada teemantkilet; hõõgniit kaldub kuumutamisel deformeeruma, mis halvendab ladestunud kile ühtlust; ja hõõgniidi eluiga on lühike, mistõttu see ei sobi{4}}paksu kileproovide pikaajaliseks ladestamiseks [7].
Praegu on teemantkile ettevalmistamise uurimine HFCVD abil suhteliselt küpsed nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt. Siiski on vaja veel uurida, kuidas kohandada protsessi parameetreid teemantkile kvaliteedi parandamiseks [2]. Peamised protsessiparameetrid hõlmavad gaasi voolukiirust ja suhet, hõõgniidi temperatuuri, substraadi tüüpi ja temperatuuri ning reaktsioonikambri rõhku.
2.2.2 Alalisvoolu kaarplasmajoa CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD meetod on Hiina teadlaste välja töötatud ainulaadne CVD teemantide kasvatamise tehnika [4]. Selle põhimõte on kasutada suure -võimsusega alalisvoolu kaarlahendust peamiselt CH₄-H₂-Ar-st koosneva reaktsioonigaasi ergastamiseks plasmaks, mis seejärel paiskub suurel kiirusel substraadi pinnale, sadestades teemantkile [7].
Võrreldes teiste CVD-sadestamise tehnikatega on DCPJCVD eelisteks kõrgeim sadestuskiirus, madal tühjenduspinge, kõrge tühjendusvool, kõrge ionisatsiooniaste, suur plasmatihedus ja suur sadestusala. Selle maksimaalne sadestuskiirus võib ulatuda 1000 μm/h, mistõttu sobib see suure pindalaga -teemantkilede tootmiseks. See on hetkel kiireim meetod teemantkilede sünteesimiseks, kuid nõuab märkimisväärseid investeeringuid seadmetesse, keerulist töötlemist ning kile ühtlus vajab veel parandamist [4].
Hiinas töötasid Pekingi Teaduste ja Tehnoloogia Ülikool ja Hebei Teaduste Akadeemia ühiselt välja ja viimistlesid seda tehnoloogiat [8]. Praegu on Hiinas alalisvoolu kaarplasma joatehnoloogia abil valmistatud teemantkiled kvaliteedi ja pindala poolest kõrgel tasemel võrreldes välismaal samal meetodil toodetud teemantkiledega ning nendega seotud teemantkiletooted on juba jõudnud rahvusvahelisele turule hulgi superkõva tööriistamaterjalina.
2.2.3 Mikrolaine Plasma CVD (MPCVD)
Teemantkile ettevalmistamise MPCVD meetodi puhul paneb mikrolainemagnetroni tekitatud kõrgsageduslik{0}}elektromagnetväli elektronid kinnises ruumis jõuliselt võnkuma. Need elektronid põrkuvad ruumis intensiivselt gaasimolekulide ja aatomitega, ioniseerides gaasi ja tekitades aktiivseid radikaale, nagu -CH₃ ja H. Need aktiivsed liigid läbivad füüsikalis-keemilisi reaktsioone, liiguvad substraadi poole ning seejärel adsorbeerivad, hajuvad, tuumastuvad ja kasvavad substraadi pinnal, saades lõpuks teemandikile.
MPCVD märkimisväärne omadus on see, et mikrolaineplasma saab kõrgsagedusliku elektrivälja kaudu saavutada ilma elektroodideta stabiilse tühjenemise, vähendades seeläbi proovi saastumist. Lisaks põhjustab mikrolaineahi tugevat gaasivõnkumist, aktiveerides gaasi tõhusalt ja tekitades suure -tihedusega plasma, mis võimaldab kasvatada kvaliteetseid- teemantkile [10]. Raskus seisneb suure ja ühtlase ladestusala moodustamises, mida mõjutavad paljud tegurid, sealhulgas elektrivälja jaotus õõnsuses, substraadi temperatuuri kõikumine, mikrolainevõimsus ja aktiivsete radikaalide jaotus. Lisaks on teemantkile sadestamise kiirus üldiselt madalam kui alalisvoolu kaare plasmajoaga CVD [4].
MPCVD madala sadestumiskiiruse kompenseerimiseks on välismaised teadlased pidevalt suurendanud seadmete sisendvõimsust, et suurendada sadestuskiirust. Aastakümnete pikkuse arenduse jooksul on võimsus tõusnud mõnesajalt vatilt peaaegu 100 kW-ni, mis parandab oluliselt teemantkilede sadestusala, sadestuskiirust ja kvaliteeti. Siseriiklikud uuringud MPCVD teemantide ettevalmistamise kohta algasid suhteliselt hilja, kuid pideva uurimis- ja arendustegevuse kaudu on Hiina suures osas rahvusvaheliste edusammudega sammu pidanud, kuigi kvaliteedis ja kaubanduslikes rakendustes on endiselt puudujääke. Viimase 20 aasta jooksul on kodumaised uurimisrühmad keskendunud resonaatorite disainile, et arendada{5}}laiaulatuslikku kaubanduslikku teemante [11].
3 Teemantkilede rakendused
3.1 Optilised rakendused
Teemantkiledel on suurepärased optilised omadused, sealhulgas kõrge läbilaskvus, madal murdumisnäitaja ja madal hajumine. Neid kasutatakse sageli optiliste akende, optiliste läätsede ja muude komponentide valmistamiseks, millel on silmapaistvad rakendusväljavaated kõrgtehnoloogilistes valdkondades, nagu sõjavägi, side ja satelliittehnoloogia. Teemantkiledel on suurepärased füüsikalis-keemilised omadused, eriti hea läbilaskvus ultraviolettkiirgusest kaugele-infrapuna- ja mikrolainevahemikus. Optiliste akende puhul võivad need tõhusalt vältida termilise läätse efekte, vihma erosiooni, liiva erosiooni ja optilisi moonutusi. Lisaks kasutatakse teemantkilesid sageli röntgeniakendes ja -maskides, röntgenikiirte edastamise sihtmärkides, optilistes läätsedes ja muudes seadmetes [12].
3.2 Soojusrakendused
Varem on suur tihedus, suur võimsus ja väike maht muutunud mikroelektroonika valdkonna elektroonikaseadmete arendamise jätkuvaks suundumuseks. Selle suundumusega aga suureneb komponentide tekitatav soojus oluliselt. CVD-teemantkilede omadused on võrreldavad loodusliku teemandi omadega, eriti eriti madal soojuspaisumistegur, üli-kõrge soojusjuhtivus ja elektriisolatsioon. Need on ideaalsed jahutusradiaatori materjalid ja pakkematerjalid, mida kasutatakse laialdaselt suure võimsusega-laserseadmetes, suuremahulistes-integraallülitustes, RF-võimsustransistorides, suure-võimsusega optilistes akendes ja muudes seadmetes.
3.3 Akustilised rakendused
Heliseadmete laialdase kasutuselevõtuga on tarbijate nõudmised kõlarite kvaliteedile pidevalt kasvanud. Võrreldes traditsiooniliste diafragma materjalidega, nagu süsinikkiud, keraamika ja berüllium, on teemantkiledel väiksem tihedus ja suurem elastsusmoodul. Samal ajal võivad polükristalliliste teemantkilede terapiirid pakkuda ideaalset sisehõõrdumist, andes neile kõikehõlmavad omadused, mis on palju paremad kui traditsioonilistel materjalidel, muutes teemandi suurepäraseks valikuks kõlarite membraanide jaoks. Lisaks on suure akustilise kiirusega kandjate kasutamine seadmete töösageduse suurendamise peamine vahend. Teemant on praegu suurima teadaoleva akustilise levimiskiirusega materjal, mis võib oluliselt parandada pinnaakustiliste lainete (SAW) seadmete töösagedust, võimaldades RF-signaalide ja mehaaniliste vibratsioonide vastastikust teisendamist ning pakkudes laialdasi kasutusvõimalusi satelliidi-, mobiilside- ja muudes valdkondades [10].
3.4 Elektrilised rakendused
Tänu teemandi laiale ribalaiusele, suurele elektronide ja aukude liikuvusele, suurele läbilöögijõulisele elektriväljale, madalale dielektrilisele konstandile, suurele takistusele ja kõrgele soojusjuhtivusele sobib see hästi integreeritud pooljuhtseadmetele, mis töötavad kõrgel temperatuuril, suure nihkega, suure võimsusega ja kõrge kiirgusega. Seetõttu eeldatakse, et teemant asendab räni ideaalse materjalina elektroonikaseadmetes, mis peavad töötama usaldusväärselt karmides tingimustes, nagu kõrge temperatuur ja kiirguskindlus.
3.5 Biomeditsiinilised rakendused
Teemantkiledes on kombineeritud hea biosobivus, suurepärased mehaanilised omadused ja keemiline stabiilsus, mistõttu on need väga paljulubavad järgmise-põlvkonna biomaterjalid. Nende suurepärased mehaanilised omadused ja keemiline stabiilsus võivad oluliselt vähendada teemant{2}}kattega implantaatide kulumist ja elektrokeemilist korrosiooni. Pinna modifitseeritavus, biosobivus ja suurepärane elektrijuhtivus pärast CVD teemantkilede dopimist muudavad need ka suurepäraseks biosensorite toeks. Võrreldes teiste tugedega pakuvad teemantkile substraatidel põhinevad biosensorid suuremat stabiilsust, töökindlust ja tundlikkust.