Dijamant posjeduje izvrsna optička, mehanička, termička i druga svojstva, što mu daje široku perspektivu primjene u brojnim poljima. Trenutno, industrija dijamanata prolazi kroz duboku fundamentalnu promjenu od "alata za tvrdoću" na "funkcionalne materijale". Na osnovu razlika u kristalnoj strukturi, dijamant se može podijeliti na mono-kristalni dijamant i polikristalni dijamant. Iako ova dva materijala dijele mnoge zajedničke karakteristike, njihove različite mikrostrukture dovode do značajnih razlika u performansama, metodama proizvodnje i područjima primjene.
01 Kristalna struktura: Granice zrna određuju osnovne razlike
Monokristalni dijamant{0}}ima veoma pravilnu, gotovo savršenu kristalnu strukturu. Na atomskoj skali, atomi ugljika pokazuju strogo uređen trodimenzionalni periodični raspored, sa potpunom i kontinuiranom rešetkom. Kristal se razvija iz jednog jezgra, raste u pravcu duž specifičnih kristalografskih orijentacija, bez smetnji na granici zrna tokom procesa rasta. Ova mikrostruktura rezultira ujednačenom i simetričnom distribucijom oblaka elektrona, konstantnom i relativno visokom energijom veze, čime se osigurava visoka makroskopska uniformnost fizičkih svojstava.
Polikristalni dijamant se može posmatrati kao polikristalni agregat sastavljen od velikog broja sićušnih kristalita. Sastoji se od brojnih nano{1}}sitnih čestica agregiranih zajedno. Ove čestice imaju kristalnu strukturu sličnu onoj kod monokristalnog dijamanta, ali su raspoređene neuredno sa nasumičnim orijentacijama, povezane nezasićenim vezama sa značajnim granicama zrna. Ukupna strukturna uniformnost je loša, a gustina defekata je relativno visoka.
Sa svojom kompletnom strukturom rešetke, mono-kristalni dijamant posjeduje intrinzična svojstva kao što su visoka tvrdoća, dobra optička propusnost i visoka toplotna provodljivost. Polikristalni dijamant, kroz inžinjering granica zrna, postiže bolju žilavost na lom, zadržavajući većinu gore navedenih svojstava, a također nudi prednosti u-proizvodnji velikih površina i isplativosti-.
02 Različiti putevi sinteze Oblik karakteristike kristala
Trenutne glavne metode proizvodnje dijamanata su metoda visokog-pritiska i visoke{1}}temperature (HPHT) i metoda hemijskog taloženja pare (CVD).
HPHT metoda simulira okruženje formiranja prirodnog dijamanta duboko u zemljinoj kori. Spoljnom primjenom visokog pritiska od 5–7 GPa i visoke temperature od 1300–1700 stepeni, uz katalitičko djelovanje metalnih rastvarača (kao što su legure na bazi Fe- i Ni-), grafit prolazi faznu transformaciju u dijamant.
U oblasti nakita, ono što nazivamo "dijamant" je u suštini jedno-kristalni dijamant koji ispunjava zahtjeve za optički i mehanički kvalitet kvaliteta dragulja-. Više od 90% dijamanata uzgojenih u laboratoriji-proizvedeno je HPHT metodom. Polikristalni dijamant sintetiziran HPHT-om ima visoku tvrdoću i jaku otpornost na habanje, te se široko koristi u industrijskim aplikacijama kao što su alati za rezanje, burgije i abrazivi.
CVD metoda radi pod niskim pritiskom (<27 kPa) and high temperature (800–1200°C). Through plasma excitation, carbon-containing gases (e.g., CH₄/H₂) are decomposed, allowing carbon atoms to deposit and grow on a substrate (such as silicon or diamond seed crystals) to form diamond.
U CVD rastu mono{0}}kristalnog dijamanta, sjemenke dijamanata su potrebne kao početni supstrat. Sjeme daje specifičnu kristalografsku orijentaciju i šablon rasta za taloženje atoma ugljika, osiguravajući da se atomi ugljika rasporede u regularan jedno-kristalni red, formirajući na taj način visoko{3}}kvalitetni jednokristalni- dijamant. Polikristalni dijamant, s druge strane, ima manje stroge zahtjeve za kristalografsku orijentaciju i strukturnu uniformnost, tako da nije potrebno sjeme za vođenje smjera rasta. Proces rasta uključuje direktnu razgradnju plinova koji sadrže ugljik- na supstratu, s atomima ugljika koji nasumično nukleiraju i rastu, formirajući polikristalnu strukturu sastavljenu od mnogo malih zrna.
03 Diferencijalna svojstva omogućavaju raznovrsne scenarije aplikacija
(1) Mehaničke primjene
Sinokristalni dijamant je jedan od najtvrđih poznatih prirodnih materijala, sa Mohsovom tvrdoćom od 10 i izuzetno visokom otpornošću na habanje. Njegova rezna ivica može postići ravnomjernost i oštrinu na atomskom-nivou, omogućavajući replikaciju savršenog stanja oštrice na radni komad, dajući završnu obradu poput ogledala-sa velikom glatkoćom. Pogodan je za ultra{6}}tanko sečenje i ultra{7}}preciznu obradu.
Polikristalni dijamant ima nešto manju tvrdoću od mono{0}}kristalnog dijamanta, ali i dalje pokazuje odličnu otpornost na habanje. Štaviše, njegova jedinstvena žilavost i svojstvo samo-oštrenja znače da se tokom brušenja i poliranja grube čestice razbijaju na manje čestice, neprestano otkrivajući nove rezne ivice. Ovo ne samo da osigurava kvalitetu poliranja površine obratka, već i poboljšava efikasnost brušenja, čineći ga pogodnijim za brušenje radnih komada sastavljenih od materijala različite tvrdoće.
(2) Primjena upravljanja toplinom
Monokristalni dijamant ima toplotnu provodljivost do 2200 W/(m·K), ali njegova visoka cijena i mala veličina ograničavaju njegovu upotrebu prvenstveno kao -raspršivača topline u aplikacijama s ekstremno visokim zahtjevima za rasipanje topline i strogom preciznošću, kao što su vojni radari i kvantni računarski čipovi, koji osiguravaju precizno i brzo uklanjanje topline.
Monokristalni (lijevo) i polikristalni (desni) dijamantski raspršivači topline. Izvor slike: Worldia
Polikristalni dijamant, zbog granica zrna i drugih faktora, ima nešto nižu toplotnu provodljivost od monokristalnog dijamanta, ali i dalje dostiže ~2000 W/(m·K), što je više od 5 puta više od uobičajenog materijala podloge SiC i 13 puta više od Si. Također nudi prednosti u efikasnosti izrade i cijeni materijala u poređenju sa mono{5}}kristalnim dijamantom. U energetskim poluprovodničkim uređajima kao što su IGBT moduli, može poslužiti kao supstrat za{7}}odvođenje topline usko pričvršćen za stražnji dio čipa kako bi efikasno odvodio toplinu. U LED rasvjeti velike{9}}sve snage, koristi se kao raspršivač topline ili ambalažni materijal za smanjenje raspada svjetlosti i produženje vijeka trajanja lampe. Također se koristi kao hladnjak za laserske diode, pomažući u poboljšanju izlazne snage i stabilnosti lasera.
U februaru ove godine, Huanghe Whirlwind je službeno pokrenuo svoju proizvodnu liniju za 8-inčne polikristalne dijamantske raspršivače topline, označavajući kritični prijelaz sa laboratorijske tehnologije na masovnu proizvodnju. Nedavno je Huifeng Diamond također najavio stabilnu proizvodnju-kvalitetnih 8-inčnih CVD polikristalnih dijamantskih raspršivača topline. Kako se dimenzije povećavaju, više jedinica za raspršivanje topline može se izrezati iz iste podloge, poboljšavajući korištenje materijala, smanjujući troškove proizvodnje jedinice i dodatno ispunjavajući zahtjeve za napredno pakovanje poluvodiča i serijsku proizvodnju.
(3) Optičke aplikacije
Dijamant nije samo odličan toplotni provodnik; njegova optička svojstva ga čine vrlo vrijednim u optičkom polju. Monokristalni dijamant ima visok indeks prelamanja i izuzetno nizak koeficijent apsorpcije, što rezultira minimalnim gubitkom svjetlosti tokom transmisije. Kada je poliran, može se koristiti za infracrvene optičke prozore, vrhunske mikroskopske objektive-i još mnogo toga. Visoko{5}}kvalitetni jednokristalni- dijamant pripremljen CVD-om može biti potpuno bezbojan i transparentan, sa odličnom propusnošću od ultraljubičastog do infracrvenog, pa čak i mikrovalnog opsega. Polikristalni dijamant pati od ograničene optičke uniformnosti zbog rasipanja granica zrna, ali nakon posebne optimizacije procesa za kontrolu veličine zrna i smanjenje efekata na granicu zrna{8}}, može se primijeniti u područjima gdje su osjetljivost na troškove i relativno umjereni zahtjevi za optičku preciznost prihvatljivi, kao što su određeni uređaji za rasvjetu i prikaz.