Propiedades de las películas de diamante y sus aplicaciones

2024-04-16

El diamante posee una serie de excelentes propiedades, entre ellas la mayor dureza conocida, módulo de elasticidad resistencia al desgaste, muy alta resistividad, intensidad de campo de ruptura y baja constante dieléctrica, amplia gama de transmisión espectral, muy alta conductividad térmica, muy bajo coeficiente de dilatación lineal, un ancho de banda muy amplio, muy alta movilidad de portadores, y una muy buena estabilidad química, etc., por lo que el diamante siempre ha sido un material de gran interés para la gente con excelentes prestaciones y perspectivas de aplicación. y perspectivas de aplicación.

Fuentes de películas de diamante

Carbono en forma de negro de humo amorfo, grafito, carbono - 60 (C60), diamante existen cuatro isótopos en los que el grafito se compone de seis átomos de carbono a sp2 enlaces para formar un anillo de nido de abeja de 6 átomos, muchos de los 6-átomo de anillo conectado a la capa, y luego capa y capa conectada para formar una estructura de capas de los cristales de grafito; Carbono - 60 (C60) se compone de sesenta átomos de carbono para formar una estructura esférica de los cristales; en la estructura cristalina del diamante. En la estructura cristalina del diamante, cada átomo de carbono es sp enlace de hibridación orbital con cuatro átomos de carbono para formar enlaces simples covalentes. cuatro átomos de carbono están dispuestos en el tetraedro cono ángulo superior, y cada esquina superior del tetraedro para los adyacentes cuatro tetraedros son comunes. Los isómeros tienen propiedades completamente diferentes debido a sus diferentes estructuras.

Entre 1952 y 1953, Eversole, en Estados Unidos, utilizó el método de reacción cíclica para descomponer gases que contienen carbono a 600~1000°C y 10~100 Pa de presión de gas para hacer crecer diamante sobre cristales semilla de diamante, confirmando por primera vez que el diamante podía prepararse en condiciones de baja presión de gas. El uso de este método cíclico de descomposición térmica a alta temperatura a menudo requiere el diamante como sustrato, el diamante pertenece al crecimiento epitaxial homogéneo, junto con el proceso cíclico, lo que reduce la tasa de deposición de diamante (~ 1nm / h), por lo que es muy insatisfactorio. 1955 General Electric Company (GE) en los Estados Unidos por primera vez a utilizar el método de alta temperatura y alta presión (HTHP) para crear diamante artificial. Debido a su dureza y resistencia al desgaste, el diamante sintético tiene una amplia gama de aplicaciones en la industria, incluyendo el corte o procesamiento de piezas mecánicas pulido o esmerilado de materiales ópticos. Sin embargo, el método de alta temperatura y alta presión (HTHP) también tiene grandes desventajas, principalmente porque el método HTPT es exigente en cuanto a equipos, alto coste, el diamante artificial fabricado son pequeñas partículas de un solo cristal con tamaños entre nanómetros y milímetros, que no pueden ser forjadas, procesadas y moldeadas por métodos convencionales, y no puede convertirse en un diamante similar a una película, por lo que sólo puede hacer uso de sus características de alta dureza, lo que restringe el desarrollo y la explotación de las excelentes propiedades del diamante. El desarrollo y la utilización de las excelentes propiedades del diamante son limitados.

En 1968, Angus et al. prepararon una película de diamante sobre diamante natural mediante deposición química en fase vapor (CVD) a baja temperatura y baja presión, y descubrieron por primera vez que la presencia de átomos de hidrógeno durante el proceso de deposición grababa preferentemente grafito en lugar de diamante.En 1982, Matsumoto et al. lograron un gran avance en la tecnología de deposición química en fase vapor (CVD) de películas de diamante cuando utilizaron un filamento caliente (~ 2000°C) para activar compuestos de hidrógeno y carbono en las proximidades del filamento caliente, lo que permitió depositar diamante en un sustrato sin diamante situado a 10 mm del filamento caliente. Durante la deposición del diamante, los átomos de hidrógeno graban el grafito, eliminando así el proceso de ciclos alternos de deposición y grabado que requiere el método de reacción cíclica, aumentando la velocidad de crecimiento de las películas de diamante y mejorando también la calidad de las películas de diamante sobre sustratos que no son de diamante. Desde entonces, han surgido, mejorado y perfeccionado diversas técnicas de preparación de películas finas de diamante por CVD. También se está reconociendo gradualmente el papel del hidrógeno atómico en el proceso de crecimiento de las películas de diamante. Asimismo, la velocidad de crecimiento del diamante se aproxima gradualmente a los requisitos de las normas industriales. Además de la deposición química en fase vapor (CVD), la deposición física en fase vapor (PVD) también es capaz de depositar películas de diamante.

Propiedades mecánicas y acústicas de las láminas delgadas de diamante y sus aplicaciones

El diamante posee excelentes propiedades mecánicas y acústicas. El diamante tiene una dureza de 100 GPa, la mayor de cualquier material conocido. La gran dureza y resistencia al desgaste del diamante, combinadas con su coeficiente de fricción extremadamente bajo, hacen del diamante un excelente material para herramientas. Depositando una película de diamante directamente sobre la superficie de la herramienta, se pueden preparar herramientas recubiertas de diamante con diferentes geometrías, que muestran la superioridad de su larga vida útil, rápida velocidad de corte, alta precisión de mecanizado, alta calidad de mecanizado, etc. Tienen un mejor rendimiento que las herramientas tradicionales de carburo, y tienen una amplia perspectiva de aplicación en el campo del mecanizado de materiales no ferrosos. Hoy en día, se han vendido en el mercado herramientas incrustadas de corte de película gruesa de diamante y herramientas recubiertas de película de diamante, utilizadas con éxito para el corte de materiales no ferrosos, metales raros, grafito y materiales compuestos, especialmente adecuados para la aviación, la industria del automóvil utilizada en el corte y procesamiento de materiales de aleación de aluminio de alto contenido de silicio.

El diamante tiene un gran módulo de elasticidad, el módulo de Young, y también es el material más rápido de todas las sustancias en cuanto a la velocidad de las ondas acústicas corporales y las ondas acústicas superficiales. En la actualidad, los dispositivos de ondas acústicas superficiales (SAW) se han utilizado con éxito en comunicaciones por satélite, comunicaciones móviles, comunicaciones por fibra óptica y muchas otras aplicaciones. En los últimos años, con la demanda de transmisión de datos de alta capacidad, la demanda de dispositivos SAW de alta frecuencia aumenta día a día, desde la clase inicial de MHz hasta la actual de GHz. la frecuencia del dispositivo SAW es directamente proporcional a la velocidad de propagación acústica del material, inversamente proporcional al periodo del transductor de dedo en horquilla (IDT). En los últimos años se ha reconocido gradualmente que la deposición de películas finas piezoeléctricas sobre materiales de sustrato de alta velocidad acústica constituye una estructura en capas que puede aumentar la velocidad de propagación SAW.

Desde 1989 hasta la actualidad, Japón, Europa y Estados Unidos han comenzado a trabajar en dispositivos SAW de alta frecuencia con película de diamante como sustrato, y se han logrado algunos avances en la investigación. A través de diferentes materiales piezoeléctricos depositados sobre el sustrato de película de diamante, se han formado dispositivos SAW de ZnO/diamante/Si, Si02/ZnO/diamante/Si, AlN/diamante/Si, LiNbO3/diamante/Si, LiTaO3/diamante/Si y otras estructuras, y se está mejorando el rendimiento global de los dispositivos. El rendimiento global de los dispositivos está mejorando. Se prevé que, si se sigue mejorando el proceso de preparación, la frecuencia de los dispositivos SAW de película de diamante podrá alcanzar los 10 GHz o incluso más. Los filtros SAW de alta frecuencia de película de diamante no sólo tienen una frecuencia superior a la de los filtros SAW convencionales, sino que también son mejores en cuanto a durabilidad de la potencia y transmisión de alta fidelidad que los filtros SAW convencionales.

Además, la película de diamante depositada en la placa de vibración del miembro del altavoz como diafragma de la unidad alta del altavoz de alta fidelidad tiene una velocidad del sonido y un módulo de Young mayores que la película de vibración ordinaria, y es el material preferido para los altavoces acústicos de alta calidad.

Propiedades térmicas de las películas de diamante y sus aplicaciones

En los últimos años, los dispositivos y circuitos electrónicos modernos se están desarrollando en la dirección de la alta integración, alta velocidad, multifuncionalidad y alto consumo de energía. Cientos de millones de componentes en un chip, la integración IC sigue mejorando, el tamaño de los componentes individuales siguen reduciendo, por un lado, hay un gran potencial de aplicación y beneficios económicos, por otro lado, también condujo a un aumento significativo en el dispositivo y el circuito de disipación de calor por unidad de volumen. Por ejemplo, el calor generado por un solo chip ha aumentado de los 10W originales a 40W; los circuitos lógicos tradicionales de emisor acoplado (ECL) alcanzarán los 50W/cm2 de flujo de calor; y la memoria aleatoria dinámica será de 20W/cm2 de flujo de calor. La envoltura del circuito integrado es el canal de conductividad térmica del chip, por lo que el desarrollo de la tecnología microelectrónica requiere la producción de una envoltura del material de sustrato que tenga una conductividad térmica muy alta, para que el calor generado por el chip pueda salir a tiempo. El diamante tiene muchas características excelentes, la más destacada de las cuales es su conductividad térmica en todos los materiales es la más alta, hasta 20W/cm-K.

El diamante pertenece a la conductividad térmica fonónica, a temperatura ambiente la tasa de conductividad térmica del diamante es más de 4 veces superior a la del material de cobre utilizado actualmente en la mayoría de los disipadores de calor. Al mismo tiempo, el calor específico del diamante es muy pequeño, no puede acumular energía térmica, y puede soportar el frío repentino y el calor repentino cuando el choque térmico, por lo que es un excelente material disipador de calor. Además, el coeficiente de dilatación térmica del diamante es muy parecido al del silicio, por lo que es muy adecuado para su uso con circuitos integrados, y los estudios han demostrado que la capacidad de uso de energía admisible del diamante es 2.500 veces superior a la del silicio. Al mismo tiempo, el diamante tiene una constante dieléctrica mucho menor que todos los sustratos de alta conductividad térmica desarrollados actualmente, como BeO, AL2O3, AIN y SiC. Además, el diamante prohíbe el ancho de banda y tiene una resistividad extremadamente alta (1014 Q-cm) a temperatura ambiente. Estas propiedades, combinadas con la mayor dureza, las buenas propiedades mecánicas, la estabilidad química, la estabilidad de frecuencia y la excelente estabilidad de temperatura que posee el diamante, lo convierten en el material más idóneo para la disipación de calor y el encapsulado de disipadores térmicos.

En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de preparación de películas de diamante ha hecho realidad su aplicación en circuitos integrados a gran escala y dispositivos semiconductores de alta potencia. Actualmente, se ha comercializado el uso de la película de diamante CVD como material disipador de calor para diodos láser semiconductores de alta potencia.

Propiedades ópticas de las películas de diamante y sus aplicaciones

Con una anchura de banda prohibida de 5,5 eV, el diamante tiene unas propiedades de transmisión espectral elevadas, desde 225 nm hasta el infrarrojo lejano. Junto con la gran dureza, resistencia y conductividad térmica del diamante, así como su coeficiente de dilatación lineal extremadamente bajo y su buena estabilidad química, la combinación de estas excelentes propiedades hace de las películas de diamante un excelente material de ventana óptica que puede utilizarse en entornos difíciles. Las películas de diamante pueden utilizarse como materiales ópticos de ventana en una amplia gama de longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo lejano, en dos aplicaciones: como ventana sola o como recubrimiento de ventana sobre otros materiales. Los materiales de ventana habituales para la óptica infrarroja en la gama de longitudes de onda de 8-12 μm son ZnS, ZnSe y Ge. Aunque estos materiales tienen una excelente transmitancia infrarroja, se dañan fácilmente debido a su fragilidad y otros inconvenientes.

Gracias a su gran transparencia, su elevada resistencia química y su gran resistencia al choque térmico, el diamante es un material muy deseable para las ventanas de infrarrojos. Por ejemplo, muchos materiales actuales de ventanas para óptica infrarroja utilizan películas de diamante autoportantes de alta tasa de crecimiento y alta calidad. El índice de refracción del diamante es de 2,41, que es más alto que los materiales dieléctricos típicos, pero más bajo que la mayoría de los materiales semiconductores diamante que el silicio, germanio, compuestos del grupo II-VI, sales de plomo y otros materiales utilizados en detectores de infrarrojos, el índice de refracción es menor, la película de diamante como la capa de revestimiento de dispositivos de infrarrojos, es una aplicación muy potencial del material. Además, se analiza que la eficiencia de las células solares de silicio puede alcanzar 40%, mientras que las células solares de germanio recubiertas con película de diamante pueden alcanzar 88%.

En la actualidad, la película de diamante no sólo se utiliza para materiales de ventana óptica de infrarrojos, película de mejora de la permeabilidad, sino que también se puede utilizar para hacer ventana óptica visible y materiales de máscara de litografía de rayos X.

Propiedades eléctricas de las láminas delgadas de diamante y sus aplicaciones

Debido a la gran anchura de la banda prohibida del diamante, la movilidad de electrones y agujeros es muy alta, junto con un alto campo eléctrico de ruptura, la constante dieléctrica es pequeña, la resistividad, la conductividad térmica y otras características, muy adecuadas para dispositivos semiconductores altamente integrados a altas temperaturas, alta polarización, alta potencia, condiciones de alta radiación. Por lo tanto, se espera que sustituya al silicio, utilizado como material ideal para la preparación de alta temperatura, radiación y otras condiciones duras como la preparación de dispositivos electrónicos.

El grupo de investigación RD42, financiado por el Centro Europeo de Investigación de Partículas (CERN) desde 1994, ha llevado a caboMétodo de deposición química en fase vapor (CVD)Fabricaron diamante para trabajos de investigación de rastreo de partículas cargadas. Tras varios años de investigación se han logrado algunos avances. Utilizaron películas de diamante CVD para obtener detectores de matriz de microstrips y detectores de matriz de píxeles, y estudiaron el rendimiento de estos detectores en la detección de mesones de alto flujo, neutrones, protones, rayos y, rayos X y luz ultravioleta. Los resultados muestran que las propiedades eléctricas del diamante no se degradan ni siquiera bajo altas dosis de irradiación de partículas y rayos de nuevo. El estudio demuestra que los detectores de diamante son muy resistentes a la radiación y pueden funcionar en entornos extremadamente duros (altas temperaturas, fuerte corrosión química), y tienen buenas aplicaciones en montajes experimentales de física de altas energías, mediciones de partículas cargadas en el espacio, predicción de terremotos, medicina radiológica y aplicaciones de tecnología nuclear.

En los últimos años, se ha descubierto que el diamante tiene las propiedades de potencial de afinidad negativa de electrones, función de conmutación, y la capacidad de lograr un cierto grado de dopaje de tipo p y dopaje de tipo n, etc., y se han llevado a cabo investigaciones aplicadas pertinentes en torno a estas propiedades, y se han logrado ciertos avances, como por ejemplo para pantallas planas con emisión de campo la preparación de cátodos fríos ha sido un tema de investigación candente en los últimos años en la comunidad académica internacional, y la película delgada de diamante es un cátodo muy prometedor para pantallas planas. La película de diamante es un prometedor material catódico para pantallas planas, que puede utilizarse para fabricar emisores de electrones de cátodo frío y pantallas planas, y Estados Unidos, Japón y otros países han invertido muchos recursos humanos y financieros.

Debido a la dificultad de obtener un buen dopaje tipo n del diamante, la realización de uniones p-n bipolares de diamante es difícil de conseguir por el momento. La investigación actual se centra principalmente en el transistor de efecto de campo de semiconductor metálico (MESFET) y el transistor de efecto de campo de aislante metálico (MISFET).

Las películas de diamante CVD también pueden utilizarse para preparar conmutadores ópticos rápidos (60 ps) en condiciones de alta polarización tienen aplicaciones aeroespaciales y militares.

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