Eigenschaften von Diamantfilmen und ihre Anwendungen
Diamant hat eine Reihe hervorragender Eigenschaften, darunter die höchste bekannte Härte, den höchsten Elastizitätsmodul, die höchste Verschleißfestigkeit, einen sehr hohen spezifischen Widerstand, eine hohe Durchschlagsfeldstärke und eine niedrige Dielektrizitätskonstante, einen weiten spektralen Transmissionsbereich, eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, einen sehr niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten, eine sehr große Bandbreite, eine sehr hohe Ladungsträgermobilität und eine sehr gute chemische Stabilität usw., so dass Diamant schon immer ein Material von großem Interesse für die Menschen mit hervorragenden Leistungs- und Anwendungsaussichten war. und Anwendungsperspektiven.
Quellen für Diamantfilme
Kohlenstoff in Form von amorphem Ruß, Graphit, Kohlenstoff - 60 (C60), Diamant vier Isotope existieren, in denen Graphit besteht aus sechs Kohlenstoffatomen zu sp2-Bindungen, um eine Bienenwabe 6-Atom-Ring, viele der 6-Atom-Ring verbunden, um Schicht zu bilden, und dann Schicht und Schicht verbunden, um eine geschichtete Struktur der Graphitkristalle bilden; Kohlenstoff - 60 (C60) besteht aus sechzig Kohlenstoffatomen, um eine kugelförmige Struktur der Kristalle bilden; in der Kristallstruktur von Diamant In der Kristallstruktur von Diamant ist jedes Kohlenstoffatom ein sp-Bindungshybridisierungsorbital mit vier Kohlenstoffatomen, um kovalente Einfachbindungen zu bilden. Vier Kohlenstoffatome sind in der Tetraederkegelspitze angeordnet, und jede obere Ecke des Tetraeders für die benachbarten vier Tetraeder sind gemeinsam. Isomere haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturen völlig verschiedene Eigenschaften.
Zwischen 1952 und 1953 verwendete Eversole in den Vereinigten Staaten die zyklische Reaktionsmethode zur Zersetzung kohlenstoffhaltiger Gase bei 600-1000°C und 10-100 Pa Gasdruck, um Diamant auf Diamantkeimkristallen zu züchten, und bestätigte damit zum ersten Mal, dass Diamant unter niedrigen Gasdruckbedingungen hergestellt werden kann. Die Verwendung dieser zyklischen thermischen Hochtemperatur-Zersetzungsmethode erfordert oft Diamant als Substrat, Diamant gehört zum homogenen epitaktischen Wachstum, verbunden mit dem zyklischen Prozess, der die Abscheidungsrate von Diamant (~1nm/h) reduziert, so dass es sehr unbefriedigend ist. 1955 General Electric Company (GE) in den Vereinigten Staaten zum ersten Mal zu verwenden Hochtemperatur-und Hochdruck-Methode (HTHP), um künstliche Diamant zu schaffen. Aufgrund seiner Härte und Verschleißfestigkeit findet synthetischer Diamant in der Industrie eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. zum Schneiden oder Bearbeiten mechanischer Teile, Polieren oder Schleifen optischer Materialien. Allerdings hat die Hochtemperatur- und Hochdruckmethode (HTHP) auch große Nachteile, vor allem weil die HTPT-Methode hohe Anforderungen an die Ausrüstung stellt, hohe Kosten verursacht und die hergestellten künstlichen Diamanten kleine Einkristallpartikel mit Größen zwischen Nanometern und Millimetern sind, die mit herkömmlichen Methoden nicht geschmiedet, verarbeitet und geformt werden können. Die Entwicklung und Nutzung der hervorragenden Eigenschaften von Diamant sind begrenzt.
1968 stellten Angus et al. einen Diamantfilm auf Naturdiamant her, indem sie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck einsetzten, und stellten zum ersten Mal fest, dass das Vorhandensein von Wasserstoffatomen während des Abscheidungsprozesses vorzugsweise Graphit und nicht Diamant ätzte. 1982 gelang Matsumoto et al. ein Durchbruch in der Technologie der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) von Diamantfilmen, als sie einen heißen Draht (~ 2000°C) Wasserstoff- und Kohlenstoffverbindungen in der Nähe des Heißdrahtes aktivierten, so dass Diamant auf einem Nicht-Diamant-Substrat in 10 mm Entfernung vom Heißdraht abgeschieden werden konnte. Während der Abscheidung von Diamant wird Graphit durch Wasserstoffatome geätzt, wodurch die bei der zyklischen Reaktionsmethode erforderlichen abwechselnden Zyklen von Abscheidung und Ätzen entfallen, die Wachstumsrate von Diamantschichten erhöht und auch die Qualität von Diamantschichten auf Nicht-Diamant-Substraten verbessert wird. Seitdem wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung von CVD-Diamantschichten entwickelt, verbessert und perfektioniert. Auch die Rolle des atomaren Wasserstoffs im Wachstumsprozess von Diamantschichten wird allmählich erkannt. Auch die Wachstumsrate von Diamant nähert sich allmählich den Anforderungen der Industrienormen an. Neben der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) ist auch die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) zur Abscheidung von Diamantschichten geeignet.
Mechanische und akustische Eigenschaften von dünnen Diamantschichten und ihre Anwendungen
Diamant hat hervorragende mechanische und akustische Eigenschaften. Diamant hat eine Härte von 100 GPa, die größte aller bekannten Materialien. Die hohe Härte und Verschleißfestigkeit von Diamant in Verbindung mit seinem extrem niedrigen Reibungskoeffizienten machen Diamant zu einem hervorragenden Werkzeugmaterial. Durch die direkte Aufbringung eines Diamantfilms auf die Werkzeugoberfläche können diamantbeschichtete Werkzeuge mit unterschiedlichen Geometrien hergestellt werden, die sich durch eine lange Lebensdauer, eine hohe Schnittgeschwindigkeit, eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit, eine hohe Bearbeitungsqualität usw. auszeichnen. Sie sind leistungsfähiger als herkömmliche Hartmetallwerkzeuge und bieten ein breites Anwendungsspektrum bei der Bearbeitung von Nichteisenwerkstoffen. Heutzutage gibt es auf dem Markt eingelegte Werkzeuge aus geschnittenem Diamant-Dickfilm und mit Diamantfilm beschichtete Werkzeuge, die erfolgreich zum Schneiden von Nichteisenmetallen, seltenen Metallen, Graphit und Verbundwerkstoffen eingesetzt werden, insbesondere in der Luftfahrt- und Automobilindustrie, wo sie zum Schneiden und Bearbeiten von Materialien aus hochsiliziumhaltigen Aluminiumlegierungen verwendet werden.
Diamant hat einen großen Elastizitätsmodul, den Young'schen Modul, und ist außerdem das schnellste Material aller Stoffe, was die Geschwindigkeit von akustischen Körper- und Oberflächenwellen angeht. Derzeit werden akustische Oberflächenwellen (SAW) erfolgreich in der Satellitenkommunikation, der Mobilkommunikation, der Glasfaserkommunikation und vielen anderen Anwendungen eingesetzt. In den letzten Jahren steigt mit der Nachfrage nach Datenübertragungen mit hoher Kapazität die Nachfrage nach Hochfrequenz-SAW-Geräten von der anfänglichen MHz-Klasse bis zur aktuellen GHz-Klasse. Die Frequenz des SAW-Geräts ist direkt proportional zur akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Materials und umgekehrt proportional zur Periode des Gabelfinger-Wandlers (IDT). In den letzten Jahren hat man allmählich erkannt, dass die Abscheidung piezoelektrischer Dünnschichten auf Trägermaterialien mit hoher Schallgeschwindigkeit eine Schichtstruktur darstellt, die die SAW-Sendegeschwindigkeit erhöhen kann.
Von 1989 bis heute haben Japan, Europa und die Vereinigten Staaten mit der Arbeit an Hochfrequenz-SAW-Bauelementen mit Diamantfilm als Substrat begonnen, und es wurden einige Forschungsfortschritte erzielt. Durch das Aufbringen verschiedener piezoelektrischer Materialien auf das Substrat aus Diamantfilm wurden SAW-Bauelemente mit Strukturen wie ZnO/Diamant/Si, Si02/ZnO/Diamant/Si, AlN/Diamant/Si, LiNbO3/Diamant/Si, LiTaO3/Diamant/Si usw. hergestellt, und die Gesamtleistung der Bauelemente wird immer besser. Die Gesamtleistung der Bauelemente verbessert sich. Es wird vorhergesagt, dass die Frequenz von Diamantfilm-SAW-Bauelementen 10 GHz oder sogar mehr erreichen kann, wenn der Herstellungsprozess weiter verbessert wird. Diamantfilm-Hochfrequenz-SAW-Filter haben nicht nur eine höhere Frequenz als herkömmliche SAW-Filter, sondern auch eine bessere Leistungsbeständigkeit und eine höhere Übertragungsqualität als herkömmliche SAW-Filter.
Darüber hinaus hat der Diamantfilm, der auf der Schwingungsplatte des Lautsprecherelements als Membran der Hochtoneinheit des HiFi-Lautsprechers aufgebracht ist, eine höhere Schallgeschwindigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul als gewöhnlicher Schwingungsfilm und ist das bevorzugte Material für hochwertige Audio-Lautsprecher.
Thermische Eigenschaften von Diamantfilmen und ihre Anwendungen
In den letzten Jahren haben sich moderne elektronische Geräte und Schaltungen in Richtung Hochintegration, hohe Geschwindigkeit, Multifunktionalität und hoher Stromverbrauch entwickelt. Hunderte von Millionen von Komponenten auf einem Chip, IC-Integration weiter zu verbessern, die Größe der einzelnen Komponenten weiter zu schrumpfen, auf der einen Seite gibt es ein großes Potenzial für die Anwendung und wirtschaftliche Vorteile, auf der anderen Seite, auch zu einem deutlichen Anstieg in das Gerät und die Schaltung innerhalb der Einheit Volumen der Wärmeableitung geführt. Zum Beispiel hat sich die Wärme, die von einem einzigen Chip erzeugt wird, von den ursprünglichen 10W auf 40W erhöht; traditionelle emittergekoppelte Logikschaltungen (ECL) werden bis zu 50W/cm2 Wärmestrom erreichen; und dynamischer Zufallsspeicher wird 20W/cm2 Wärmestrom sein. Integrierte Schaltung Verpackung Schale ist der Chip der Wärmeleitfähigkeit Kanal, so dass die Entwicklung der Mikroelektronik-Technologie erfordert die Herstellung von Verpackungen Schale des Substrats Material hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, um Chip die Wärme in einer fristgerechten Weise aus der Hitze erzeugt. Diamant hat viele hervorragende Eigenschaften, von denen die prominenteste ist seine Wärmeleitfähigkeit in allen Materialien ist die höchste, bis zu 20W/cm-K.
Diamant gehört zu den Phonon-Wärmeleitern. Bei Raumtemperatur ist die Wärmeleitfähigkeit von Diamant mehr als viermal so hoch wie die des Kupfermaterials, das derzeit in den meisten Kühlkörpern verwendet wird. Gleichzeitig ist die spezifische Wärme von Diamant sehr klein, kann keine thermische Energie akkumulieren und kann plötzlicher Kälte und plötzlicher Hitze standhalten, wenn der thermische Schock, so dass es eine ausgezeichnete Wärmesenke Material ist. Darüber hinaus liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Diamant sehr nahe an dem von Silizium, was für die Verwendung mit integrierten Schaltkreisen sehr gut geeignet ist, und Studien haben gezeigt, dass die zulässige Stromverbrauchskapazität von Diamant 2.500 Mal höher ist als die von Silizium. Gleichzeitig hat Diamant eine viel niedrigere Dielektrizitätskonstante als alle derzeit entwickelten Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie BeO, AL2O3, AIN und SiC. Darüber hinaus ist Diamant nicht bandbreitenfähig und hat bei Raumtemperatur einen extrem hohen spezifischen Widerstand (1014 Q-cm). Diese Eigenschaften in Verbindung mit der höchsten Härte, den guten mechanischen Eigenschaften, der chemischen Stabilität, der Frequenzstabilität und der ausgezeichneten Temperaturstabilität, die Diamant besitzt, machen ihn zum idealen Material für die Wärmeableitung und die Verkapselung von Kühlkörpern.
In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Technologie zur Herstellung von Diamantfilmen dazu geführt, dass die Abscheidung von Diamantfilmen auf großen integrierten Schaltungen und Hochleistungs-Halbleiterbauelementen Realität geworden ist. Derzeit wird die Verwendung von CVD-Diamantschichten als Wärmesenke für Hochleistungs-Halbleiterlaserdioden kommerziell genutzt.
Optische Eigenschaften von Diamantfilmen und ihre Anwendungen
Diamant hat eine verbotene Bandbreite von 5,5 eV, eine hohe spektrale Durchlässigkeit von 225 nm bis ins ferne Infrarot, gepaart mit hoher Härte, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit sowie einem extrem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten und guter chemischer Stabilität. Die Kombination dieser hervorragenden Eigenschaften macht Diamantfolien zu einem ausgezeichneten optischen Fenstermaterial, das in rauen Umgebungen eingesetzt werden kann. Diamantfolien können als optische Fenstermaterialien für einen breiten Wellenlängenbereich vom Ultraviolett bis zum fernen Infrarot in zwei Anwendungen eingesetzt werden, entweder als eigenständiges Fenster oder als Fensterbeschichtung auf anderen Materialien. Die üblichen Fenstermaterialien für die Infrarotoptik im Wellenlängenbereich von 8-12 μm sind ZnS, ZnSe und Ge. Diese Materialien haben zwar eine hervorragende Infrarotdurchlässigkeit, sind aber aufgrund ihrer Sprödigkeit und anderer Nachteile leicht zu beschädigen.
Mit seiner hohen Transparenz, seiner hohen chemischen Beständigkeit und seiner hohen Temperaturwechselbeständigkeit ist Diamant ein begehrtes Material für Infrarotfenster. So werden beispielsweise für viele aktuelle Fenstermaterialien für die Infrarotoptik selbsttragende Diamantfilme mit hoher Wachstumsrate und hoher Qualität verwendet. Der Brechungsindex von Diamant ist 2,41, was höher ist als typische dielektrische Materialien, aber niedriger als die meisten Halbleitermaterialien Diamant als Silizium, Germanium, Gruppe II-VI-Verbindungen, Bleisalze und andere Materialien in Infrarot-Detektoren verwendet, ist der Brechungsindex niedriger, Diamant-Film als die Beschichtung von Infrarot-Geräte, ist eine sehr mögliche Anwendung des Materials. Darüber hinaus wird analysiert, dass der Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen 40% erreichen kann, während Germanium-Solarzellen mit Diamantfilm beschichtet 88% erreichen können.
Gegenwärtig wird der Diamantfilm nicht nur für infrarotoptische Fenstermaterialien und Permeationsverbesserungsfilme verwendet, sondern kann auch für sichtbare optische Fenster und Röntgenlithographie-Maskenmaterialien eingesetzt werden.
Elektrische Eigenschaften von Diamantfilmen und ihre Anwendungen
Aufgrund der großen Breite des verbotenen Bandes von Diamant ist die Elektronen- und Löchermobilität sehr hoch, verbunden mit einem hohen elektrischen Feld, die Dielektrizitätskonstante ist klein, der spezifische Widerstand, die Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften sind sehr geeignet für hochintegrierte Halbleiterbauelemente bei hohen Temperaturen, hoher Vorspannung, hoher Leistung und hoher Strahlung. Daher wird erwartet, dass es Silizium zu ersetzen, als ein ideales Material für die Herstellung von Hochtemperatur-, Strahlungs-und anderen rauen Bedingungen wie die Herstellung von elektronischen Geräten verwendet.
Die Forschungsgruppe RD42, die seit 1994 vom Europäischen Zentrum für Teilchenforschung (CERN) finanziert wird, hat folgende Arbeiten durchgeführtChemische Gasphasenabscheidung (CVD)Hergestellt aus Diamant für Forschungsarbeiten zur Verfolgung geladener Teilchen. Nach mehreren Jahren der Forschung wurden einige Fortschritte erzielt. Sie verwendeten CVD-Diamantfilme, um Mikrostreifen-Array-Detektoren und Pixel-Array-Detektoren herzustellen, und untersuchten die Leistung dieser Detektoren bei der Erkennung von Mesonen, Neutronen, Protonen, Y-Strahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolettem Licht mit hohem Fluß. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die elektrischen Eigenschaften von Diamant auch bei hohen Dosen von Teilchen- und Neutronenstrahlung nicht verschlechtern. Die Studie zeigt, dass Diamantdetektoren hochgradig strahlungsbeständig sind und in extrem rauen Umgebungen (hohe Temperaturen, starke chemische Korrosion) arbeiten können und sich gut für Versuchsaufbauten in der Hochenergiephysik, Messungen geladener Teilchen im Weltraum, Erdbebenvorhersage, Strahlenmedizin und Kerntechnik eignen.
In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass Diamant die Eigenschaften der negativen Elektronenaffinität Potenzial, Schalt-Funktion, und die Fähigkeit, ein gewisses Maß an p-Typ-Dotierung und n-Typ-Dotierung, etc. zu erreichen, und einschlägige angewandte Forschung wurde um diese Eigenschaften durchgeführt, und bestimmte Fortschritte gemacht worden, wie für Flachbildschirme mit Feldemission Kaltkathode Vorbereitung wurde ein heißes Forschungsthema in den letzten Jahren in der internationalen akademischen Gemeinschaft, und die Diamant-Dünnschicht ist eine sehr vielversprechende Kathode für Flachbildschirme. Diamantfilm ist ein vielversprechendes Kathodenmaterial für Flachbildschirme, das zur Herstellung von Kaltkathoden-Elektronenemittern und Flachbildschirmen verwendet werden kann, und die Vereinigten Staaten, Japan und andere Länder haben eine Menge menschlicher und finanzieller Ressourcen investiert.
Da es schwierig ist, eine gute n-Typ-Dotierung von Diamant zu erhalten, ist die Realisierung von bipolaren p-n-Übergängen aus Diamant derzeit noch schwer möglich. Die aktuelle Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MESFET) und Metall-Isolator-Feldeffekttransistoren (MISFET).
CVD-Diamantschichten können auch zur Herstellung schneller optischer Schalter (60 ps) unter hohen Vorspannungsbedingungen verwendet werden, die in der Luft- und Raumfahrt und im Militärbereich Anwendung finden.
Wir bieten Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) OEM-Anpassungsdienstekönnen Sie gerne einen Kommentar hinterlassen.
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