1 Réamhrá
Tá airíonna meicniúla, optúla, teirmeacha agus leictreacha den scoth ag Diamond, rud a fhágann gur gnáth-ábhar ilfheidhmeach é le hionchais fhorfheidhmithe leathana i go leor réimsí ardteicneolaíochta mar aeraspáis, fuinneamh, braiteoirí cliste, agus meaisínithe beachta [1]. Leis an éileamh méadaitheach ar Diamond, tá cúlchistí diamanta nádúrtha teoranta agus thar a bheith costasach, rud nach féidir leis na riachtanais shóisialta atá ag méadú a chomhlíonadh. Dá bhrí sin, tá taighdeoirí ag iniúchadh go leanúnach ar mhodhanna nua chun Diamond a shintéisiú go saorga.
Is iad na príomh-mhodhanna chun diamant sintéiseach a ullmhú ná modh ardteochta (HPHT) agus sil-leagan ceimiceach gaile (CVD). Tá cáithníní Diamond sintéiseithe ag an modh HPHT den chuid is mó beag i méid agus is minic go mbíonn líon mór neamhíonachtaí catalaíoch iontu. Mar sin, tá a raon feidhme iarratais teoranta, go príomha do scríobaigh agus uirlisí (m.sh., diamant polycrystalline, PCD) [2]. Le blianta beaga anuas, tá teicneolaíocht sil-leagan ceimiceach gaile (CVD) tagtha chun cinn mar láthair taighde ard-gheallta. Tá méideanna gráin agus cruthanna criostail ag criostail Diamond ullmhaithe ag CVD is gaire dóibh siúd atá ag diamant nádúrtha agus léiríonn siad airíonna den scoth [3].
2 Ullmhú Scannáin Diamond ag CVD
Is príomhtheicneolaíocht é an modh CVD chun scannáin tanaí a ullmhú trí mhodhanna ceimiceacha. Úsáidtear go forleathan é in ullmhú ábhair scannáin tanaí éagsúla agus is modh tábhachtach é freisin chun scannáin Diamond a tháirgeadh. Le blianta beaga anuas, tá dul chun cinn tapa déanta ar thaighde ar shintéis scannán diamanta ag CVD, agus tá cumas táirgthe agus feidhmchláir ar scála mór bainte amach anois.
2.1 Sásra Fáis [4]
Go ginearálta baineann sintéis CVD diamaint le carbón a dhianscaoileadh-ina bhfuil réamhtheachtaithe ag baint úsáide as fuinneamh in atmaisféar laghdaitheora chun hidrigin adamhach a ghiniúint, rud a éascaíonn fás diamanta. Áirítear go sonrach leis an bpróiseas fáis na bunchéimeanna seo a leanas: (1) Cuirtear an réamhtheachtaí (mar shampla CH₄) isteach san imoibreoir CVD; (2) Déantar an réamhtheachtaí gásach a dhianscaoileadh le fuinneamh (plasma nó fuinneamh teirmeach) i fréamhacha saor in aisce (CₓHᵧ, etc.); (3) Imbhuaileann fréamhacha saor in aisce lena chéile go dtí go sroicheann siad dromchla an tsubstráit; (4) Fréamhacha saor in aisce a adsorb ar dhromchla an tsubstráit; (5) Díscaoileann na fréamhacha saor in aisce adsorbed chun speiceas gníomhach carbóin a fhoirmiú agus a idirleata ar an dromchla; (6) Déanann speicis ghníomhacha an laitís diamanta; (7) Déanann speicis neamhghníomhacha (amhail hidrigin) díscriosadh ón dromchla, ag déanamh móilíní hidrigine nó seachtháirgí eile; (8) Scaipeann fotháirgí ón dromchla tríd an gciseal teorann agus ar deireadh baintear amach iad ag an mórshreabhadh gáis.
2.2 Teicnící Ullmhúcháin
Ó tháinig ullmhú diamanta CVD chun cinn sna 1980í, tá -domhain-staidéir marthanacha déanta ag taighdeoirí, as a dtáinig forbairt ar mhodhanna éagsúla CVD [5]. Faoi láthair, cuimsíonn teicnící ullmhaithe scannán diamaint aibí filiméad te CVD (HFCVD), plasma micreathonn CVD (MPCVD), agus scaird plasma stua sruth díreach CVD (DCPJCVD).
2.2.1 Filiméad te CVD (HFCVD)
Sa mhodh HFCVD, tugtar gáis hidreacarbóin ar nós meatán (CH₄) agus aicéitiléine, mar aon le hidrigin (H₂), isteach sa seomra imoibrithe. Tá an teocht filiméid sa seomra os cionn 2000 céim, agus déantar an gás measctha a dhianscaoileadh ag teocht ard chun sp³ fréamhacha hibridithe carbóin a tháirgeadh atá riachtanach do shintéis diamanta, a fhoirmíonn ansin scannán Diamond ar dhromchla an tsubstráit [6].
Tá buntáistí ag baint le modh HFCVD a bhaineann le trealamh simplí, ráta ard taisce scannáin, oibriú éasca, ísealchostas, agus teicneolaíocht aibí. Úsáidtear go forleathan é i dtáirgeadh tionsclaíoch agus tá sé ar cheann de na príomh-mhodhanna freisin chun bratuithe diamanta micreacriostalach, bratuithe diamanta nanocrystalline, agus bratuithe carbóin cosúil le diamaint [2] a ullmhú. Áirítear ar na míbhuntáistí a bhaineann leis: ní spreagann an filament te an gás go mór, agus féadfaidh an filament féin an scannán diamanta a éilliú; tá an fhiliméad seans maith le dífhoirmiú le linn téimh, rud a dhíghrádaíonn aonfhoirmeacht an scannáin thaisce; agus tá saolré gearr ag an bhfiliméad, rud a fhágann go bhfuil sé mí-oiriúnach le haghaidh sil-leagan fadtéarmach de shamplaí scannáin tiubh [7].
Faoi láthair, tá taighde ar ullmhú scannán Diamond ag baint úsáide as HFCVD sách aibí sa bhaile agus go hidirnáisiúnta. Mar sin féin, tá gá le tuilleadh taiscéalaíochta fós ar conas paraiméadair phróisis a choigeartú chun cáilíocht scannán Diamond a fheabhsú [2]. I measc na bpríomhpharaiméadair phróisis tá ráta agus cóimheas sreabhadh gáis, teocht filiméid, cineál agus teocht an tsubstráit, agus brú an tseomra imoibrithe.
2.2.2 Scaird Scaird Plasma Stua Reatha Díreach CVD (DCPJCVD)
Is teicníc fáis diamanta CVD uathúil é modh DCPJCVD arna fhorbairt ag taighdeoirí na Síne [4]. Is é a phrionsabal urscaoileadh stua ardchumhachta DC a úsáid chun gás imoibrithe atá comhdhéanta go príomha de CH₄-H₂-Ar a spreagadh isteach i bplasma, a scaoiltear ansin ar ardluais ar dhromchla an tsubstráit, ag taisceadh scannán diamanta [7].
I gcomparáid le teicnící eile sil-leagan CVD, tá na buntáistí a bhaineann le DCPJCVD an ráta taisce is airde, voltas urscaoileadh íseal, sruth urscaoileadh ard, céim ard ianúcháin, dlús plasma ard, agus limistéar taisce mór. Féadfaidh a uasráta sil-leagan 1000 µm/u a shroicheadh, rud a fhágann go bhfuil sé oiriúnach chun scannáin mhóra dhiamanta a tháirgeadh. Faoi láthair is é an modh is tapúla chun scannáin Diamond a shintéisiú, ach tá gá le hinfheistíocht trealaimh shuntasach, próiseáil casta, agus tá feabhas fós ag teastáil ar aonfhoirmeacht an scannáin [4].
Sa tSín, d'fhorbair agus rinne Ollscoil Eolaíochta agus Teicneolaíochta Beijing agus Acadamh Eolaíochtaí Hebei an teicneolaíocht seo a fhorbairt agus a scagadh [8]. Faoi láthair, tá scannáin Diamond ullmhaithe ag teicneolaíocht scaird plasma stua DC sa tSín ar leibhéal chun cinn i dtéarmaí cáilíochta agus réimse i gcomparáid leo siúd a tháirgtear tríd an modh céanna thar lear, agus tá táirgí scannáin Diamond gaolmhara tar éis dul isteach sa mhargadh idirnáisiúnta ar an mórchóir cheana féin mar ábhair uirlisí superhard.
2.2.3 Plasma MICREATHONNACH CVD (MPCVD)
Sa mhodh MPCVD chun scannán diamanta a ullmhú, cuireann an réimse leictreamaighnéadach ardmhinicíochta a ghineann maighnéadrón micreathonn faoi deara go n-osclaíonn leictreoin go bríomhar i spás teoranta. Imbhuaileann na leictreoin seo go dian le móilíní gáis agus adaimh sa spás, ag ianú an gháis agus ag giniúint fréamhacha gníomhacha mar -CH₃ agus H. Téann na speicis ghníomhacha seo faoi imoibrithe fisiciceimiceacha, bogann siad i dtreo an tsubstráit, agus ansin adsorb, idirleata, núicléatach, agus fásann siad ar dhromchla an tsubstráit, ag táirgeadh scannán diamanta sa deireadh [9].
Gné shuntasach de MPCVD is ea gur féidir leis an plasma micreathonn scaoileadh cobhsaí gan leictreoidí a bhaint amach tríd an réimse leictreach ardmhinicíochta, rud a laghdóidh éilliú samplach. Ina theannta sin, is cúis leis an micreathonn ascalaithe gás bríomhar, ag gníomhachtú an gháis go héifeachtach agus ag giniúint plasma ard-dlúis, rud a chuireann ar chumas scannáin ardchaighdeáin diamanta a fhás [10]. Is é an deacracht atá ann limistéar taiscí mór aonfhoirmeach a fhoirmiú, a bhfuil tionchar ag go leor fachtóirí air, lena n-áirítear dáileadh réimse leictrigh sa chuas, éagsúlacht teochta an tsubstráit, cumhacht micreathonn, agus dáileadh fréamhacha gníomhacha. Thairis sin, tá an ráta sil-leagan scannáin Diamond níos ísle go ginearálta ná an scaird plasma stua DC CVD [4].
Mar chúiteamh ar an ráta taisce íseal MPCVD, tá méadú leanúnach déanta ag taighdeoirí eachtracha ar chumhacht ionchuir an trealaimh chun an ráta taisce a fheabhsú. Le blianta fada d'fhorbairt, tá an chumhacht ardaithe ó chúpla céad vata go beagnach 100 kW, ag feabhsú go mór an limistéar taisce, an ráta taisce, agus cáilíocht na scannán diamanta. Thosaigh taighde baile ar ullmhú diamanta MPCVD sách déanach, ach trí thaighde agus forbairt leanúnach, choinnigh an tSín suas go mór leis an dul chun cinn idirnáisiúnta, cé go bhfuil bearnaí fós in iarratais cháilíochta agus tráchtála. Le 20 bliain anuas, dhírigh foirne taighde intíre ar dhearadh athshondóra chun forbairt diamanta tráchtála ar mhórscála a shaothrú[11].
3 Feidhmchlár Scannáin Diamond
3.1 Feidhmchláir Optúla
Tá airíonna optúla den scoth ag scannáin Diamond, lena n-áirítear tarchur ard, innéacs íseal athraonta, agus scaipeadh íseal. Is minic a úsáidtear iad chun fuinneoga optúla, lionsaí optúla, agus comhpháirteanna eile a dhéanamh, agus tá na hionchais feidhmithe sármhaithe i réimsí ardteicneolaíochta amhail teicneolaíocht mhíleata, cumarsáide agus satailíte. Tá airíonna fisiciceimiceacha den scoth ag scannáin dhiamanta, go háirithe tarchur maith ón ultraivialait go dtí na raonta i bhfad infridhearg agus micreathonn. Nuair a úsáidtear iad le haghaidh fuinneoga optúla, is féidir leo éifeachtaí lionsa teirmeacha, creimeadh báistí, creimeadh gaineamh, agus saobhadh optúil a sheachaint. Ina theannta sin, is minic a úsáidtear scannáin dhiamanta i bhfuinneoga agus i maisc gha-X, i spriocanna tarchurtha ga-X, i lionsaí optúla, agus i bhfeistí eile [12].
3.2 Feidhmchláir Theirmeacha
San am atá caite, tá ard-dlús, ardchumhacht, agus toirt beag tar éis éirí mar threochtaí leanúnacha i bhforbairt feistí leictreonacha i réimse na micrileictreonaic. Mar sin féin, leis an treocht seo, méadóidh an teas a ghineann comhpháirteanna go suntasach. Tá airíonna ag scannáin diamanta CVD atá inchomparáide leo siúd atá ag diamant nádúrtha, go háirithe comhéifeacht an-íseal d'fhorleathnú teirmeach, seoltacht theirmeach ard, agus insliú leictreach. Is ábhair idéalach doirteal teasa agus ábhair phacáistíochta iad, a úsáidtear go forleathan i bhfeistí léasair ardchumhachta, ciorcaid chomhtháite ar mhórscála, trasraitheoirí cumhachta RF, fuinneoga optúla ardchumhachta, agus gléasanna eile.
3.3 Feidhmchláir Fuaimiúla
Le glacadh go forleathan le trealamh fuaime, tá méadú seasta ar éilimh na dtomhaltóirí ar chaighdeán cainteoir. I gcomparáid le hábhair thraidisiúnta scairt cosúil le snáithín carbóin, ceirmeach, agus beiriliam, tá dlús níos ísle agus modulus leaisteacha níos airde ag scannáin Diamond. Ag an am céanna, is féidir leis na teorainneacha gráin i scannáin Diamond polycrystalline frithchuimilt inmheánach idéalach a sholáthar, rud a thugann airíonna cuimsitheacha dóibh i bhfad níos fearr ná iad siúd a bhaineann le hábhair thraidisiúnta, rud a fhágann gur rogha iontach é diaphragms cainteoir. Ina theannta sin, tá úsáid a bhaint as meán ardtreoluas fuaime mar phríomhbhealach chun minicíocht oibriúcháin feistí a mhéadú. Is é Diamond an t-ábhar faoi láthair leis an treoluas iomadaithe fuaimiúil is airde ar a dtugtar, rud a d'fhéadfadh feabhas mór a chur ar mhinicíocht oibriúcháin feistí tonn fuaimiúla dromchla (SAW), rud a chuireann ar chumas comharthaí RF agus creathadh meicniúla a idirchomhshó, agus ionchais iarratais leathan a thairiscint i satailíte, cumarsáid soghluaiste, agus réimsí eile [10].
3.4 Feidhmchláir Leictreacha
Mar gheall ar bhanda leathan Diamond, soghluaisteacht ard leictreon agus poll, réimse leictrigh ard-bhriseadh, tairiseach tréleictreach íseal, friotachas ard, agus seoltacht ard teirmeach, tá sé an-oiriúnach le haghaidh feistí leathsheoltóra ard-chomhtháite a oibríonn faoi ardteocht, ard-chlaonadh, ardchumhacht, agus coinníollacha radaíochta ard. Dá bhrí sin, táthar ag súil go n-athróidh Diamond sileacain mar ábhar idéalach le haghaidh feistí leictreonacha a chaithfidh oibriú go hiontaofa faoi choinníollacha déine mar ardteocht agus friotaíocht radaíochta.
3.5 Feidhmeanna Bithleighis
Comhcheanglaíonn scannáin dhiamanta bith-chomhoiriúnacht mhaith, airíonna meicniúla den scoth, agus cobhsaíocht cheimiceach, rud a fhágann go mbeidh siad ina n-ábhar bith-ábhair don chéad ghlúin eile. Féadann a n-airíonna meicniúla níos fearr agus a gcobhsaíocht cheimiceach caitheamh agus creimeadh leictriceimiceach ionchlannáin atá brataithe le diamaint a laghdú go mór. Déanann inathraitheacht an dromchla, bith-chomhoiriúnacht, agus seoltacht leictreach den scoth tar éis dópáil a dhéanamh ar scannáin diamanta CVD tacaí den scoth do bhithbhraiteoirí. I gcomparáid le tacaíochtaí eile, cuireann bithbhraiteoirí bunaithe ar fhoshraitheanna scannáin Diamond cobhsaíocht, iontaofacht agus íogaireacht níos airde.