1 บทนำ
เพชรมีคุณสมบัติทางกล ทางแสง ความร้อน และทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ทำให้เป็นวัสดุอเนกประสงค์ทั่วไปที่มีแนวโน้มการใช้งานในวงกว้างใน-สาขาเทคโนโลยีขั้นสูงต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ พลังงาน เซ็นเซอร์อัจฉริยะ และการตัดเฉือนที่มีความแม่นยำ [1] ด้วยความต้องการเพชรที่เพิ่มขึ้น ปริมาณสำรองเพชรธรรมชาติจึงมีจำกัดและมีราคาแพงมาก ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการทางสังคมที่เพิ่มขึ้นได้ ดังนั้น นักวิจัยจึงได้สำรวจวิธีการใหม่ๆ ในการสังเคราะห์เพชรเทียมอย่างต่อเนื่อง
วิธีการหลักในการเตรียมเพชรสังเคราะห์คือวิธี-วิธีอุณหภูมิสูง-แรงดันสูง (HPHT) และการสะสมไอสารเคมี (CVD) อนุภาคเพชรที่สังเคราะห์โดยวิธี HPHT ส่วนใหญ่จะมีขนาดเล็กและมักประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเจือปนจำนวนมาก ดังนั้นขอบเขตการใช้งานจึงมีจำกัด โดยเน้นที่สารกัดกร่อนและเครื่องมือเป็นหลัก (เช่น เพชรโพลีคริสตัลไลน์ PCD) [2] ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการตกสะสมไอสารเคมี (CVD) ได้กลายเป็นจุดสนใจการวิจัยที่มีแนวโน้มสูง ผลึกเพชรที่เตรียมโดย CVD มีขนาดเกรนและรูปทรงคริสตัลใกล้เคียงกับเพชรธรรมชาติมากที่สุด และมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม [3]
2 การเตรียมฟิล์มเพชรโดย CVD
วิธี CVD เป็นเทคโนโลยีสำคัญในการเตรียมฟิล์มบางด้วยวิธีทางเคมี มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมวัสดุฟิล์มบางต่างๆ และยังเป็นวิธีการสำคัญในการผลิตฟิล์มเพชร ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับการสังเคราะห์ฟิล์มเพชรโดย CVD มีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว และ-มีความสามารถในการผลิตและการใช้งานในวงกว้างได้สำเร็จแล้ว
2.1 กลไกการเจริญเติบโต [4]
โดยทั่วไปการสังเคราะห์ CVD ของเพชรเกี่ยวข้องกับการสลายคาร์บอน-ที่มีสารตั้งต้นโดยใช้พลังงานในบรรยากาศรีดิวซ์เพื่อสร้างอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งเอื้อต่อการเติบโตของเพชร กระบวนการเติบโตประกอบด้วยขั้นตอนพื้นฐานต่อไปนี้โดยเฉพาะ: (1) สารตั้งต้น (แสดงตัวอย่างโดย CH₄) ถูกนำเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ CVD; (2) สารตั้งต้นของก๊าซถูกสลายโดยพลังงาน (พลาสมาหรือพลังงานความร้อน) ให้กลายเป็นอนุมูลอิสระ (CₓHᵧ ฯลฯ) (3) อนุมูลอิสระชนกันจนกระทั่งถึงพื้นผิวของสารตั้งต้น (4) อนุมูลอิสระดูดซับบนพื้นผิวของสารตั้งต้น (5) อนุมูลอิสระที่ถูกดูดซับจะสลายตัวเพื่อสร้างสายพันธุ์คาร์บอนกัมมันต์และแพร่กระจายบนพื้นผิว (6) สายพันธุ์ที่ใช้งานอยู่ก่อตัวเป็นโครงตาข่ายเพชร (7) สิ่งมีชีวิตที่ไม่เคลื่อนไหว- (เช่น ไฮโดรเจน) ถูกดูดซับออกจากพื้นผิว ก่อตัวเป็นโมเลกุลไฮโดรเจนหรือผลพลอยได้อื่นๆ - (8) โดย-ผลิตภัณฑ์จะกระจายออกจากพื้นผิวผ่านชั้นขอบเขต และสุดท้ายจะถูกกำจัดออกโดยการไหลของก๊าซปริมาณมาก
2.2 เทคนิคการเตรียมการ
นับตั้งแต่การเตรียมเพชร CVD เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1980 นักวิจัยได้ทำการศึกษาเชิงลึกอย่างต่อเนื่อง- ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาวิธีการ CVD ต่างๆ [5] ในปัจจุบัน เทคนิคการเตรียมฟิล์มเพชรสุก ได้แก่ CVD เส้นใยร้อน (HFCVD), CVD พลาสมาไมโครเวฟ (MPCVD) และ CVD อาร์คพลาสมากระแสตรง (DCPJCVD)
2.2.1 เส้นใยร้อน CVD (HFCVD)
ในวิธี HFCVD ก๊าซไฮโดรคาร์บอน เช่น มีเทน (CH₄) และอะเซทิลีน พร้อมด้วยไฮโดรเจน (H₂) จะถูกนำเข้าไปในห้องปฏิกิริยา อุณหภูมิไส้หลอดในห้องนั้นสูงกว่า 2000 องศา และก๊าซผสมจะถูกสลายที่อุณหภูมิสูงเพื่อผลิตอนุมูลคาร์บอนไฮบริด sp³ ที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์เพชร ซึ่งจะก่อตัวเป็นฟิล์มเพชรบนพื้นผิวของสารตั้งต้น [6]
วิธี HFCVD มีข้อดีของอุปกรณ์ที่เรียบง่าย อัตราการสะสมของฟิล์มสูง ใช้งานง่าย ต้นทุนต่ำ และเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตทางอุตสาหกรรมและยังเป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการเตรียมการเคลือบเพชรระดับไมโครคริสตัลไลน์ การเคลือบเพชรระดับนาโนคริสตัลไลน์ และ-การเคลือบคาร์บอนที่คล้ายกับเพชร [2] ข้อเสียได้แก่: ไส้หลอดร้อนไม่กระตุ้นก๊าซในระดับสูง และไส้หลอดเองก็อาจทำให้ฟิล์มเพชรปนเปื้อน เส้นใยมีแนวโน้มที่จะเสียรูปในระหว่างการให้ความร้อน ซึ่งจะทำให้ความสม่ำเสมอของฟิล์มที่สะสมลดลง และไส้หลอดมีอายุการใช้งานสั้น ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับ-การสะสมตัวอย่างฟิล์มหนาในระยะยาว [7]
ปัจจุบันการวิจัยการเตรียมฟิล์มเพชรโดยใช้ HFCVD ค่อนข้างสมบูรณ์ทั้งในประเทศและต่างประเทศ อย่างไรก็ตาม ยังจำเป็นต้องมีการสำรวจเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการปรับพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อปรับปรุงคุณภาพฟิล์มเพชร [2] พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ ได้แก่ อัตราและอัตราส่วนการไหลของก๊าซ อุณหภูมิเส้นใย ชนิดและอุณหภูมิของสารตั้งต้น และความดันในห้องปฏิกิริยา
2.2.2 อาร์กพลาสม่าเจ็ต CVD กระแสตรง (DCPJCVD)
วิธี DCPJCVD เป็นเทคนิคการเติบโตของเพชร CVD ที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งพัฒนาโดยนักวิจัยชาวจีน [4] หลักการของมันคือการใช้-การปล่อยอาร์ก DC กำลังสูงเพื่อกระตุ้นก๊าซที่ทำปฏิกิริยาซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วย CH₄-H₂-Ar เข้าไปในพลาสมา ซึ่งจากนั้นจะถูกดีดออกด้วยความเร็วสูงลงบนพื้นผิวของสารตั้งต้น ทำให้เกิดชั้นฟิล์มเพชร [7]
เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการสะสม CVD อื่นๆ DCPJCVD มีข้อดีคือมีอัตราการสะสมสูงสุด แรงดันคายประจุต่ำ กระแสคายประจุสูง ระดับไอออไนซ์สูง ความหนาแน่นของพลาสมาสูง และพื้นที่การสะสมขนาดใหญ่ อัตราการสะสมสูงสุดสามารถสูงถึง 1000 μm/h ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตฟิล์มเพชรในพื้นที่ขนาดใหญ่- ปัจจุบันเป็นวิธีสังเคราะห์ฟิล์มเพชรที่เร็วที่สุด แต่ต้องใช้อุปกรณ์จำนวนมาก การประมวลผลที่ซับซ้อน และความสม่ำเสมอของฟิล์มยังคงต้องได้รับการปรับปรุง [4]
ในประเทศจีน มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่งและสถาบันวิทยาศาสตร์เหอเป่ยร่วมกันพัฒนาและปรับปรุงเทคโนโลยีนี้ [8] ปัจจุบัน ฟิล์มเพชรที่เตรียมโดยเทคโนโลยี DC arc plasma jet ในประเทศจีนอยู่ในระดับขั้นสูงทั้งในด้านคุณภาพและพื้นที่เมื่อเทียบกับที่ผลิตโดยวิธีการเดียวกันในต่างประเทศ และผลิตภัณฑ์ฟิล์มเพชรที่เกี่ยวข้องได้เข้าสู่ตลาดต่างประเทศจำนวนมากแล้วในฐานะวัสดุเครื่องมือที่มีความแข็งเป็นพิเศษ
2.2.3 ไมโครเวฟพลาสมา CVD (MPCVD)
ในวิธี MPCVD สำหรับการเตรียมฟิล์มเพชร สนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง-ที่สร้างโดยไมโครเวฟแมกนีตรอนจะทำให้อิเล็กตรอนสั่นอย่างแรงในพื้นที่จำกัด อิเล็กตรอนเหล่านี้ชนกันอย่างแรงกับโมเลกุลของแก๊สและอะตอมในอวกาศ ทำให้เกิดไอออนของแก๊สและสร้างอนุมูลอิสระ เช่น -CH₃ และ H สปีชีส์ที่ออกฤทธิ์เหล่านี้เกิดปฏิกิริยาเคมีกายภาพ เคลื่อนไปยังซับสเตรต จากนั้นดูดซับ กระจาย สร้างนิวเคลียส และเติบโตบนพื้นผิวของซับสเตรต จนกลายเป็นฟิล์มเพชรในที่สุด [9]
คุณลักษณะเด่นของ MPCVD คือพลาสมาไมโครเวฟสามารถคายประจุได้อย่างเสถียรโดยไม่ต้องใช้อิเล็กโทรดผ่านสนามไฟฟ้าความถี่สูง- ซึ่งช่วยลดการปนเปื้อนของตัวอย่างได้ นอกจากนี้ ไมโครเวฟยังทำให้เกิดการสั่นของแก๊สอย่างรุนแรง กระตุ้นแก๊สอย่างมีประสิทธิภาพและสร้างพลาสมาความหนาแน่นสูง- ซึ่งทำให้ฟิล์มเพชรคุณภาพสูง-เติบโตได้ [10] ความยากอยู่ที่การสร้างพื้นที่สะสมขนาดใหญ่และสม่ำเสมอ ซึ่งได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงการกระจายของสนามไฟฟ้าในช่อง การแปรผันของอุณหภูมิของสารตั้งต้น พลังงานไมโครเวฟ และการกระจายตัวของอนุมูลอิสระ นอกจากนี้ อัตราการสะสมของฟิล์มเพชรโดยทั่วไปจะต่ำกว่าของ DC arc plasma jet CVD [4]
เพื่อชดเชยอัตราการสะสมของ MPCVD ที่ต่ำ นักวิจัยจากต่างประเทศได้เพิ่มกำลังไฟฟ้าเข้าของอุปกรณ์อย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มอัตราการสะสม ตลอดทศวรรษของการพัฒนา กำลังเพิ่มขึ้นจากไม่กี่ร้อยวัตต์เป็นเกือบ 100 กิโลวัตต์ ซึ่งช่วยปรับปรุงพื้นที่การสะสม อัตราการสะสม และคุณภาพของฟิล์มเพชรอย่างมีนัยสำคัญ การวิจัยในประเทศเกี่ยวกับการเตรียมเพชร MPCVD เริ่มต้นค่อนข้างช้า แต่ด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จีนสามารถก้าวตามความก้าวหน้าในระดับนานาชาติได้เป็นส่วนใหญ่ แม้ว่ายังคงมีช่องว่างในด้านคุณภาพและการใช้งานเชิงพาณิชย์ก็ตาม ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ทีมวิจัยในประเทศได้มุ่งเน้นไปที่การออกแบบเครื่องสะท้อนเสียงเพื่อติดตาม-การพัฒนาเพชรเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ [11]
3 การใช้งานฟิล์มเพชร
3.1 การใช้งานทางแสง
ฟิล์มเพชรมีคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยม รวมถึงการส่งผ่านข้อมูลสูง ดัชนีการหักเหของแสงต่ำ และการกระเจิงต่ำ มักใช้ในการผลิตหน้าต่างแบบใช้แสง เลนส์สายตา และส่วนประกอบอื่นๆ โดยมีแนวโน้มการใช้งานที่โดดเด่นใน-สาขาเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น เทคโนโลยีการทหาร การสื่อสาร และดาวเทียม ฟิล์มเพชรมีคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่ดีเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการส่งผ่านที่ดีจากรังสีอัลตราไวโอเลตไปยังรังสีอินฟราเรดไกล-และช่วงไมโครเวฟ เมื่อใช้กับหน้าต่างแบบแสง จะสามารถหลีกเลี่ยงผลกระทบจากเลนส์ความร้อน การพังทลายของฝน การพังทลายของทราย และการบิดเบือนของแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ฟิล์มเพชรมักใช้ในหน้าต่างและมาสก์รังสีเอกซ์- เป้าหมายการส่งผ่านรังสีเอกซ์ - เลนส์สายตา และอุปกรณ์อื่นๆ [12]
3.2 การใช้งานด้านความร้อน
ในอดีต ความหนาแน่นสูง กำลังสูง และปริมาณน้อย กลายเป็นแนวโน้มอย่างต่อเนื่องในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในสาขาไมโครอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม ด้วยแนวโน้มนี้ ความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบต่างๆ จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ฟิล์มเพชร CVD มีคุณสมบัติเทียบได้กับเพชรธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ต่ำมาก ค่าการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษ- และฉนวนไฟฟ้า เป็นวัสดุระบายความร้อนและวัสดุบรรจุภัณฑ์ในอุดมคติ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เลเซอร์กำลังสูง- วงจรรวมขนาดใหญ่- ทรานซิสเตอร์กำลัง RF หน้าต่างออปติคัลกำลังสูง- และอุปกรณ์อื่นๆ
3.3 การใช้งานด้านเสียง
ด้วยการนำอุปกรณ์เครื่องเสียงมาใช้อย่างแพร่หลาย ความต้องการของผู้บริโภคในด้านคุณภาพลำโพงจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุไดอะแฟรมแบบดั้งเดิม เช่น คาร์บอนไฟเบอร์ เซรามิก และเบริลเลียม ฟิล์มเพชรมีความหนาแน่นต่ำกว่าและมีโมดูลัสยืดหยุ่นสูงกว่า ในเวลาเดียวกัน ขอบเขตของเกรนในฟิล์มเพชรโพลีคริสตัลไลน์สามารถให้แรงเสียดทานภายในที่เหมาะสม ทำให้มีคุณสมบัติที่ครอบคลุมเหนือกว่าวัสดุแบบดั้งเดิม ทำให้เพชรเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับไดอะแฟรมของลำโพง นอกจากนี้ การใช้สื่อที่มีความเร็วเสียงสูงเป็นวิธีการสำคัญในการเพิ่มความถี่การทำงานของอุปกรณ์ ปัจจุบัน Diamond เป็นวัสดุที่มีความเร็วการแพร่กระจายเสียงสูงสุดที่รู้จัก ซึ่งสามารถปรับปรุงความถี่การทำงานของอุปกรณ์คลื่นเสียงพื้นผิว (SAW) ได้อย่างมาก ช่วยให้สามารถแปลงสัญญาณ RF และการสั่นสะเทือนทางกลได้ และนำเสนอโอกาสในการประยุกต์ในวงกว้างในด้านดาวเทียม การสื่อสารเคลื่อนที่ และสาขาอื่น ๆ [10]
3.4 การใช้งานทางไฟฟ้า
เนื่องจากช่องว่างแถบกว้างของเพชร การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนและรูสูง สนามไฟฟ้าที่มีการแยกย่อยสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ ความต้านทานสูง และการนำความร้อนสูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีการบูรณาการสูงซึ่งทำงานภายใต้อุณหภูมิสูง ความลำเอียงสูง พลังงานสูง และสภาวะการแผ่รังสีสูง ดังนั้นคาดว่าเพชรจะมาแทนที่ซิลิคอนในฐานะวัสดุในอุดมคติสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น อุณหภูมิสูงและการต้านทานรังสี
3.5 การประยุกต์ทางชีวการแพทย์
ฟิล์มเพชรผสมผสานความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี คุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม และความคงตัวทางเคมี ส่งผลให้เป็นวัสดุชีวภาพรุ่นถัดไปที่มีแนวโน้มสูง- คุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่าและความเสถียรทางเคมีสามารถลดการสึกหรอและการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าของรากฟันเทียมที่เคลือบเพชร-ได้อย่างมาก ความสามารถในการปรับเปลี่ยนพื้นผิว ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมหลังจากการเติมฟิล์มเพชร CVD ยังทำให้ฟิล์มเหล่านี้รองรับไบโอเซนเซอร์ได้อย่างดีเยี่ยม เมื่อเปรียบเทียบกับตัวรองรับอื่นๆ ไบโอเซนเซอร์ที่ใช้ซับสเตรตแบบฟิล์มเพชรให้ความเสถียร ความน่าเชื่อถือ และความไวที่สูงกว่า