Propriétés des films de diamant et leurs applications
Le diamant possède une série d'excellentes propriétés, notamment la plus grande dureté connue, le module d'élasticité, la résistance à l'usure, une résistivité très élevée, une force de champ de claquage et une faible constante diélectrique, une large gamme de transmission spectrale, une conductivité thermique très élevée, un coefficient de dilatation linéaire très faible, une très large bande passante, une très grande mobilité des porteurs et une très bonne stabilité chimique, etc. Le diamant a donc toujours été un matériau d'une grande importance pour les personnes ayant d'excellentes performances et perspectives d'application.
Sources des films diamantés
Le carbone se présente sous la forme de noir de carbone amorphe, de graphite, de carbone 60 (C60) et de diamant. Il existe quatre isotopes dans le graphite, qui est composé de six atomes de carbone liés par des liaisons sp2 pour former un anneau à 6 atomes en nid d'abeille, plusieurs des anneaux à 6 atomes étant reliés à une couche, puis à une autre couche pour former une structure stratifiée des cristaux de graphite ; le carbone 60 (C60) est composé de soixante atomes de carbone pour former une structure sphérique des cristaux ; dans la structure cristalline du diamant, chaque atome de carbone est disposé dans l'orbite d'hybridation du tétraèdre avec quatre atomes de carbone pour former des liaisons simples covalentes. Dans la structure cristalline du diamant, chaque atome de carbone est une orbitale d'hybridation de liaison sp avec quatre atomes de carbone pour former des liaisons simples covalentes. Quatre atomes de carbone sont disposés dans le tétraèdre à angle conique supérieur, et chaque coin supérieur du tétraèdre pour les quatre tétraèdres adjacents sont communs. Les isomères ont des propriétés complètement différentes en raison de leurs structures différentes.
Entre 1952 et 1953, Eversole, aux États-Unis, a utilisé la méthode de réaction cyclique pour décomposer des gaz contenant du carbone à 600~1000°C et à une pression de gaz de 10~100 Pa pour faire croître du diamant sur des cristaux de semences de diamant, confirmant pour la première fois que le diamant pouvait être préparé dans des conditions de faible pression de gaz. L'utilisation de cette méthode de décomposition thermique cyclique à haute température nécessite souvent du diamant comme substrat, le diamant appartient à la croissance épitaxiale homogène, couplée au processus cyclique, ce qui réduit la vitesse de dépôt du diamant (~1nm/h), et est donc très insatisfaisant. 1955 La General Electric Company (GE) aux États-Unis a utilisé pour la première fois la méthode à haute température et à haute pression (HTHP) pour créer du diamant artificiel. En raison de sa dureté et de sa résistance à l'usure, le diamant synthétique a un large éventail d'applications dans l'industrie, notamment la coupe ou le traitement de pièces mécaniques, le polissage ou le broyage de matériaux optiques. Cependant, la méthode de la haute température et de la haute pression (HTHP) présente également de gros inconvénients, principalement parce que la méthode HTPT est exigeante en équipement, coûteuse, et que le diamant artificiel fabriqué est constitué de petites particules monocristallines d'une taille comprise entre le nanomètre et le millimètre, qui ne peuvent pas être forgées, traitées et façonnées par des méthodes conventionnelles, et ne peuvent pas être transformées en un diamant semblable à un film, de sorte qu'elles ne peuvent utiliser que leurs caractéristiques de haute dureté, ce qui limite le développement et l'exploitation des excellentes propriétés du diamant. Le développement et l'utilisation des excellentes propriétés du diamant sont limités.
En 1968, Angus et al. ont préparé un film de diamant sur du diamant naturel en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à basse température et à basse pression, et ont constaté pour la première fois que la présence d'atomes d'hydrogène pendant le processus de dépôt attaquait préférentiellement le graphite plutôt que le diamant.En 1982, Matsumoto et al. ont réalisé une percée dans la technologie du film de diamant par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en utilisant un fil chaud (~ 2000°C) pour activer les composés d'hydrogène et de carbone à proximité du filament chaud, ce qui a permis de déposer du diamant sur un substrat non diamantaire situé à 10 mm du filament chaud. Pendant le dépôt du diamant, le graphite est attaqué par les atomes d'hydrogène, ce qui élimine le processus d'alternance des cycles de dépôt et d'attaque requis par la méthode de réaction cyclique, augmente le taux de croissance des films de diamant et améliore également la qualité des films de diamant sur des substrats non diamantés. Depuis lors, diverses techniques de préparation de films minces de diamant par CVD ont vu le jour, se sont améliorées et perfectionnées. Le rôle de l'hydrogène atomique dans le processus de croissance des films de diamant est également progressivement reconnu. Le taux de croissance du diamant se rapproche progressivement des exigences des normes industrielles. Outre le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt physique en phase vapeur (PVD) permet également de déposer des films de diamant.
Propriétés mécaniques et acoustiques des couches minces de diamant et leurs applications
Le diamant possède d'excellentes propriétés mécaniques et acoustiques. Le diamant a une dureté de 100 GPa, la plus élevée de tous les matériaux connus. La dureté élevée et la résistance à l'usure du diamant, associées à son coefficient de frottement extrêmement faible, font du diamant un excellent matériau pour les outils. En déposant un film de diamant directement sur la surface de l'outil, il est possible de préparer des outils revêtus de diamant de différentes géométries, qui se distinguent par leur longue durée de vie, leur vitesse de coupe élevée, leur grande précision d'usinage, leur qualité d'usinage élevée, etc. Aujourd'hui, des outils incrustés en film épais de diamant et des outils revêtus d'un film de diamant sont vendus sur le marché. Ils sont utilisés avec succès pour couper les métaux non ferreux, les métaux rares, le graphite et les matériaux composites, et conviennent particulièrement à l'aviation, à l'industrie automobile et à la coupe et au traitement des matériaux en alliage d'aluminium à haute teneur en silicium.
Le diamant possède un module d'élasticité élevé, le module de Young, et est également le matériau le plus rapide de toutes les substances en termes de vitesse des ondes acoustiques corporelles et des ondes acoustiques de surface. Actuellement, les dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) ont été utilisés avec succès dans les communications par satellite, les communications mobiles, les communications par fibre optique et de nombreuses autres applications. Ces dernières années, avec la demande de transmission de données à haute capacité, la demande de dispositifs SAW à haute fréquence augmente de jour en jour, de la classe initiale des MHz à la classe actuelle des GHz. La fréquence du dispositif SAW est directement proportionnelle à la vitesse de propagation acoustique du matériau, inversement proportionnelle à la période du transducteur à doigt de fourche (IDT). Ces dernières années, il a été progressivement reconnu que le dépôt de couches minces piézoélectriques sur des matériaux de substrat à vitesse acoustique élevée constitue une structure en couches qui peut augmenter la vitesse de diffusion du dispositif SAW.
De 1989 à aujourd'hui, le Japon, l'Europe et les États-Unis ont commencé à travailler sur des dispositifs SAW à haute fréquence avec un film de diamant comme substrat, et des progrès ont été réalisés dans le domaine de la recherche. Grâce à différents matériaux piézoélectriques déposés sur le substrat du film de diamant, des dispositifs SAW de ZnO/diamant/Si, Si02/ZnO/diamant/Si, AlN/diamant/Si, LiNbO3/diamant/Si, LiTaO3/diamant/Si et d'autres structures ont été formés, et les performances globales des dispositifs sont en train de s'améliorer. Les performances globales des dispositifs s'améliorent. On prévoit que si le processus de préparation est encore amélioré, la fréquence des dispositifs SAW à film de diamant peut atteindre 10 GHz ou même plus. Les filtres SAW haute fréquence à film de diamant sont non seulement plus fréquents que les filtres SAW conventionnels, mais aussi plus durables en termes de puissance et de transmission haute fidélité que les filtres SAW conventionnels.
En outre, le film de diamant déposé sur la plaque de vibration de l'élément de haut-parleur en tant que diaphragme de l'unité haute du haut-parleur hi-fi a une vitesse du son et un module de Young plus élevés que le film de vibration ordinaire, et c'est le matériau préféré pour les haut-parleurs audio de haute qualité.
Propriétés thermiques des films de diamant et leurs applications
Ces dernières années, les dispositifs et circuits électroniques modernes se développent dans le sens d'une intégration élevée, d'une vitesse élevée, d'une multifonctionnalité et d'une consommation d'énergie élevée. Des centaines de millions de composants sur une puce, l'intégration des circuits intégrés continue à s'améliorer, la taille des composants individuels continue à diminuer, d'une part, il y a un grand potentiel d'application et d'avantages économiques, d'autre part, a également conduit à une augmentation significative de la dissipation de chaleur du dispositif et du circuit par unité de volume. Par exemple, la chaleur générée par une seule puce est passée de 10 W à 40 W ; les circuits logiques traditionnels à émetteur-coupleur (ECL) atteindront un flux thermique de 50 W/cm2 ; et la mémoire aléatoire dynamique un flux thermique de 20 W/cm2. L'enveloppe du circuit intégré est le canal de conductivité thermique de la puce, de sorte que le développement de la technologie microélectronique exige la production d'une enveloppe d'emballage dont le substrat présente une conductivité thermique très élevée, afin de permettre à la puce d'évacuer en temps utile la chaleur générée par la chaleur émise. Le diamant possède de nombreuses caractéristiques excellentes, dont la plus importante est sa conductivité thermique, la plus élevée de tous les matériaux, qui peut atteindre 20 W/cm-K.
Le diamant appartient à la catégorie des phonons à conductivité thermique. À température ambiante, le taux de conductivité thermique du diamant est plus de quatre fois supérieur à celui du cuivre actuellement utilisé dans la plupart des dissipateurs de chaleur. Parallèlement, la chaleur spécifique du diamant est très faible, il ne peut pas accumuler d'énergie thermique et peut résister à un froid soudain et à une chaleur soudaine en cas de choc thermique, ce qui en fait un excellent matériau de dissipation thermique. En outre, le coefficient de dilatation thermique du diamant est très proche de celui du silicium, ce qui convient parfaitement à une utilisation avec des circuits intégrés, et des études ont montré que la capacité d'utilisation d'énergie admissible du diamant est 2 500 fois supérieure à celle du silicium. En même temps, le diamant a une constante diélectrique beaucoup plus faible que tous les substrats à haute conductivité thermique actuellement développés, tels que BeO, AL2O3, AIN et SiC. En outre, le diamant interdit la largeur de bande et présente une résistivité extrêmement élevée (1014 Q-cm) à température ambiante. Ces propriétés, combinées à la dureté la plus élevée, aux bonnes propriétés mécaniques, à la stabilité chimique, à la stabilité de fréquence et à l'excellente stabilité de température que possède le diamant, font de ce dernier le matériau le plus idéal pour la dissipation de la chaleur et l'encapsulation des dissipateurs de chaleur.
Ces dernières années, le développement de la technologie de préparation des films de diamant a fait de l'application du dépôt de films de diamant sur les circuits intégrés à grande échelle et les dispositifs semi-conducteurs à haute puissance une réalité. Actuellement, l'utilisation d'un film de diamant CVD comme matériau de dissipation thermique pour les diodes laser à semi-conducteurs de haute puissance a été commercialisée.
Propriétés optiques des films de diamant et leurs applications
Le diamant a une largeur de bande interdite de 5,5eV, des propriétés de transmission spectrale élevées de 225 nm à l'infrarouge lointain, ainsi qu'une dureté, une résistance et une conductivité thermique élevées, un coefficient de dilatation linéaire très faible et une bonne stabilité chimique ; la combinaison de ces excellentes propriétés fait du film de diamant un excellent matériau de fenêtre optique qui peut être utilisé dans des environnements difficiles. Les films de diamant peuvent être utilisés comme matériaux de fenêtre optique dans une large gamme de longueurs d'onde allant de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain dans deux applications, soit comme fenêtre seule, soit comme revêtement de fenêtre sur d'autres matériaux. Les matériaux de fenêtre habituels pour l'optique infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde de 8 à 12 μm sont le ZnS, le ZnSe et le Ge. Bien que ces matériaux aient une excellente transmission infrarouge, ils sont facilement endommagés en raison de leur fragilité et d'autres inconvénients.
Avec une grande transparence, une résistance chimique élevée et une forte résistance aux chocs thermiques, le diamant est un matériau de choix pour les fenêtres infrarouges. Par exemple, de nombreux matériaux de fenêtres actuels pour l'optique infrarouge utilisent des films de diamant autoportés à taux de croissance élevé et de haute qualité. L'indice de réfraction du diamant est de 2,41, ce qui est plus élevé que les matériaux diélectriques typiques, mais plus faible que la plupart des matériaux semi-conducteurs ; l'indice de réfraction du diamant est plus faible que celui du silicium, du germanium, des composés du groupe II-VI, des sels de plomb et d'autres matériaux utilisés dans les détecteurs infrarouges ; le film de diamant en tant que couche de revêtement des dispositifs infrarouges est une application très potentielle du matériau. En outre, il a été analysé que l'efficacité des cellules solaires au silicium peut atteindre 40%, tandis que les cellules solaires au germanium recouvertes d'un film de diamant peuvent atteindre 88%.
À l'heure actuelle, le film de diamant n'est pas seulement utilisé pour les fenêtres optiques infrarouges, le film d'amélioration de la perméabilité, mais il peut également être utilisé pour les fenêtres optiques visibles et les masques de lithographie à rayons X.
Propriétés électriques des films de diamant et leurs applications
En raison de la grande largeur de la bande interdite du diamant, la mobilité des électrons et des trous est très élevée, couplée à un champ électrique de rupture élevé, la constante diélectrique est petite, la résistivité, la conductivité thermique et d'autres caractéristiques, très appropriées pour les dispositifs semi-conducteurs hautement intégrés à des températures élevées, des conditions de polarisation élevée, de puissance élevée, de rayonnement élevé. Par conséquent, il devrait remplacer le silicium, utilisé comme matériau idéal pour la préparation de dispositifs électroniques à haute température, sous rayonnement et dans d'autres conditions difficiles.
Le groupe de recherche RD42, financé par le Centre européen de recherche sur les particules (CERN) depuis 1994, a réaliséMéthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)Le diamant a été utilisé pour les travaux de recherche sur le suivi des particules chargées. Après plusieurs années de recherche, des progrès ont été réalisés. Ils ont utilisé des films de diamant CVD pour obtenir des détecteurs à réseaux de microstrip et des détecteurs à réseaux de pixels, et ont étudié les performances de ces détecteurs pour la détection de mésons à flux élevé, de neutrons, de protons, de rayons Y, de rayons X et de lumière ultraviolette. Les résultats montrent que les propriétés électriques du diamant ne se dégradent pas, même sous l'effet de fortes doses d'irradiation de particules et de rayons nouveaux. L'étude montre que les détecteurs en diamant sont très résistants aux rayonnements et peuvent fonctionner dans des environnements extrêmement difficiles (températures élevées, forte corrosion chimique). Ils ont de bonnes applications dans les installations expérimentales de physique des hautes énergies, les mesures de particules chargées dans l'espace, la prévision des tremblements de terre, la médecine des rayonnements et les applications de la technologie nucléaire.
Ces dernières années, on a découvert que le diamant possède les propriétés d'un potentiel d'affinité électronique négatif, d'une fonction de commutation et la capacité de réaliser un certain degré de dopage de type p et de type n, etc., et des recherches appliquées pertinentes ont été menées autour de ces propriétés, ce qui a permis de réaliser certains progrès. Le film de diamant est un matériau de cathode prometteur pour les écrans plats. Il peut être utilisé pour fabriquer des émetteurs d'électrons à cathode froide et des écrans plats, et les États-Unis, le Japon et d'autres pays ont investi beaucoup de ressources humaines et financières.
En raison de la difficulté d'obtenir un bon dopage de type n du diamant, la réalisation de jonctions p-n bipolaires en diamant est difficile pour l'instant. La recherche actuelle se concentre principalement sur le transistor à effet de champ à semi-conducteur métallique (MESFET) et le transistor à effet de champ à isolant métallique (MISFET).
Les films de diamant CVD peuvent également être utilisés pour préparer des commutateurs optiques rapides (60 ps) dans des conditions de polarisation élevée pour des applications aérospatiales et militaires.
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