Diamant ima odlične optične, mehanske, toplotne in druge lastnosti, kar mu daje široko možnost uporabe na številnih področjih. Trenutno industrija diamantov doživlja temeljit premik od "orodij za trdoto" k "funkcionalnim materialom". Na podlagi razlik v kristalni strukturi lahko diamant razdelimo na eno-kristalni diamant in polikristalni diamant. Čeprav imata ta dva materiala veliko skupnih značilnosti, njuni različni mikrostrukturi vodita do pomembnih razlik v zmogljivosti, metodah izdelave in področjih uporabe.
01 Kristalna struktura: meje zrn določajo temeljne razlike
Eno-kristalni diamant ima zelo pravilno, skoraj popolno kristalno strukturo. Na atomski lestvici imajo ogljikovi atomi strogo urejeno tri-dimenzionalno periodično razporeditev s popolno in neprekinjeno mrežo. Kristal je razvit iz enega samega jedra, ki raste v smeri vzdolž določenih kristalografskih orientacij, brez motenj meja zrn v celotnem procesu rasti. Ta mikrostruktura ima za posledico enakomerno in simetrično porazdelitev elektronskega oblaka, konstantno in relativno visoko energijo vezi, s čimer zagotavlja visoko makroskopsko enotnost fizikalnih lastnosti.
Polikristalni diamant lahko obravnavamo kot polikristalni agregat, sestavljen iz velikega števila drobnih kristalitov. Sestavljen je iz številnih drobnih delcev v nano-razmerju, združenih skupaj. Ti delci imajo podobno kristalno strukturo kot eno-kristalni diamant, vendar so razporejeni neurejeno z naključnimi orientacijami, povezani z nenasičenimi vezmi s pomembnimi mejami zrn. Celotna strukturna enotnost je slaba, gostota napak pa relativno visoka.
Eno-kristalni diamant ima s svojo popolno mrežno strukturo intrinzične lastnosti, kot so visoka trdota, dobra optična prepustnost in visoka toplotna prevodnost. Polikristalni diamant z inženiringom zrnatih meja doseže boljšo lomno žilavost, hkrati pa ohrani večino zgornjih intrinzičnih lastnosti, nudi pa tudi prednosti pri izdelavi-območij in stroškovni-učinkovitosti.
02 Različne poti sinteze oblikujejo značilnosti kristalov
Trenutne glavne metode izdelave diamantov so visoko{0}}metoda visoke-temperature (HPHT) in metoda kemičnega naparjevanja (CVD).
Metoda HPHT simulira okolje nastajanja naravnega diamanta globoko v zemeljski skorji. Z zunanjo uporabo visokega tlaka 5–7 GPa in visoke temperature 1300–1700 stopinj, s katalitskim delovanjem kovinskih topil (kot so zlitine na osnovi Fe- in Ni-), se grafit fazno spremeni v diamant.
Na področju nakita je tisto, čemur pravimo »diamant«, v bistvu eno-kristalni diamant, ki izpolnjuje-optične in mehanske zahteve glede kakovosti draguljev. Več kot 90 % laboratorijsko-vzgojenih diamantov je proizvedenih z metodo HPHT. Polikristalni diamant, sintetiziran s HPHT, ima visoko trdoto in močno odpornost proti obrabi ter se pogosto uporablja v industrijskih aplikacijah, kot so rezalna orodja, svedri in abrazivi.
Metoda CVD deluje pod nizkim tlakom (<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.
Pri CVD rasti eno-kristalnega diamanta so kot začetni substrat potrebna diamantna semena. Zarodek zagotavlja specifično kristalografsko orientacijo in rastno predlogo za odlaganje atomov ogljika, kar zagotavlja, da so atomi ogljika razporejeni v pravilnem eno-kristalnem vrstnem redu in tako tvorijo visoko{3}}kakovosten eno-kristalni diamant. Po drugi strani pa ima polikristalni diamant manj stroge zahteve glede kristalografske orientacije in strukturne enotnosti, zato za usmerjanje smeri rasti ni potrebno nobeno seme. Proces rasti vključuje neposredno razgradnjo plinov, ki vsebujejo ogljik-, na substratu, pri čemer ogljikovi atomi naključno nukleirajo in rastejo ter tvorijo polikristalno strukturo, sestavljeno iz številnih majhnih zrn.
03 Diferencialne lastnosti omogočajo vsestranske scenarije uporabe
(1) Mehanske aplikacije
Eno-kristalni diamant je eden najtrših znanih naravnih materialov s trdoto po Mohsu 10 in izjemno visoko odpornostjo proti obrabi. Njegov rezalni rob lahko doseže atomsko -ravnjo naravnost in ostrino, kar omogoča replikacijo popolnega stanja rezila na obdelovancu, kar daje zrcalno-podobno končno obdelavo z visoko gladkostjo. Primeren je za ultra-tanko rezanje in ultra-natančno obdelavo.
Polikristalni diamant ima nekoliko nižjo trdoto kot eno-kristalni diamant, vendar še vedno kaže odlično odpornost proti obrabi. Poleg tega njegova edinstvena žilavost in lastnost samo-ostrenja pomenita, da se grobi delci med brušenjem in poliranjem razbijejo na manjše delce, ki nenehno izpostavljajo nove rezalne robove. To ne zagotavlja samo kakovosti poliranja površine obdelovanca, temveč tudi izboljša učinkovitost brušenja, zaradi česar je bolj primeren za brušenje obdelovancev, sestavljenih iz materialov z različno trdoto.
(2) Aplikacije za upravljanje toplote
En-kristalni diamant ima toplotno prevodnost do 2200 W/(m·K), vendar njegova visoka cena in majhnost omejujejo njegovo uporabo predvsem kot razpršilnik- toplote višjega cenovnega razreda v aplikacijah z izjemno visokimi zahtevami glede odvajanja toplote in strogo natančnostjo, kot so vojaški radarji in kvantni računalniški čipi, ki zagotavljajo natančno in hitro odvajanje toplote med delovanjem naprave.
Eno-kristalni (levo) in polikristalni (desno) diamantni razpršilci toplote. Vir slike: Worldia
Polikristalni diamant ima zaradi meja zrn in drugih dejavnikov nekoliko nižjo toplotno prevodnost kot eno-kristalni diamant, vendar še vedno dosega ~2000 W/(m·K), kar je več kot 5-krat več kot običajni substratni material SiC in 13-krat več kot Si. Ponuja tudi prednosti pri učinkovitosti izdelave in stroških materiala v primerjavi z eno-kristalnim diamantom. V močnostnih polprevodniških napravah, kot so moduli IGBT, lahko služi kot podlaga za-odvajanje toplote, tesno pritrjena na zadnjo stran čipa za učinkovito odvajanje toplote. V visoko{9}}zmogljivih LED-razsvetljavah se uporablja kot razpršilec toplote ali embalažni material za zmanjšanje upadanja svetlobe in podaljšanje življenjske dobe žarnice. Uporablja se tudi kot odvod toplote za laserske diode, kar pomaga izboljšati izhodno moč in stabilnost laserja.
Februarja letos je Huanghe Whirlwind uradno zagnal svojo proizvodno linijo za 8-palčne polikristalne diamantne toplotne razpršilnike, kar je označilo kritičen prehod iz laboratorijske tehnologije v masovno proizvodnjo. Pred kratkim je Huifeng Diamond napovedal tudi stabilno proizvodnjo visoko-kakovostnih 8-palčnih CVD polikristalnih diamantnih razpršilnikov toplote. Ko se dimenzije povečajo, je mogoče iz istega substrata izrezati več enot za razprševanje toplote, s čimer se izboljša izkoristek materiala, zmanjšajo proizvodni stroški na enoto in dodatno prilagodijo naprednemu polprevodniškemu pakiranju in zahtevam serijske proizvodnje.
(3) Optične aplikacije
Diamant ni le odličen toplotni prevodnik; zaradi svojih optičnih lastnosti je tudi zelo dragocen na optičnem področju. Eno-kristalni diamant ima visok lomni količnik in izjemno nizek absorpcijski koeficient, zaradi česar je izguba svetlobe med prenosom minimalna. Ko je poliran, se lahko uporablja za infrardeča optična okna, vrhunske-mikroskopske objektive in drugo. Visoko{5}}kakovosten eno{6}}kristalni diamant, pripravljen s CVD, je lahko popolnoma brezbarven in prozoren, z odlično prepustnostjo od ultravijoličnega do infrardečega in celo mikrovalovnega območja. Polikristalni diamant trpi zaradi omejene optične enakomernosti zaradi sipanja meja zrn, vendar ga je po posebni optimizaciji postopka za nadzor velikosti zrn in zmanjšanje učinkov-meja zrn mogoče uporabiti na območjih, kjer so sprejemljive cenovna občutljivost in razmeroma zmerne zahteve glede optične natančnosti, kot so nekatere naprave za razsvetljavo in prikazovalnike.