5-tommer selvbærende diamantwafer! Hårdhed når 208,3 GPa

5-tommer selvbærende diamantwafer! Hårdhed når 208,3 GPa

Diamant, som det hårdeste materiale i naturen, har vigtige anvendelser inden for ultra-præcisionsbearbejdning, halvledere og rumfart. Traditionelle høj--temperatur- og-højtryksmetoder til diamantsyntese lider af begrænsninger i størrelse, tilstedeværelsen af ​​bindemidler og vanskeligheder med at opnå en hårdhed, der overstiger den for naturlige diamanter. Mens de seneste fremskridt inden for nanostrukturdesign (såsom nanotwinning) har forbedret hårdheden markant, er prøvestørrelserne typisk kun i millimeterområdet, og synteseforholdene er ekstreme, hvilket gør det vanskeligt at opnå stor-produktion af tommer-størrelse, bindemiddelfri, ultra-hårde diamanter. Selvom teknologien for kemisk dampaflejring (CVD) har potentialet til at producere diamanter i store{10}}størrelser, har dens hårdhed længe været svær at overstige 200 GPa. Derfor er udviklingen af ​​en ny metode til kontrolleret fremstilling af store- ultra{14}}hårde diamanter blevet et presserende behov på dette område.

 

Et forskerhold ledet af Li Chengming og Liu Jinlong fra University of Science and Technology Beijing og Lu Yang fra University of Hong Kong offentliggjorde en forskningsartikel med titlen "Inch-scale ultrahard diamond wafer with 200 GPa hardness via high-white pulsed local non-equilibrium growth" i tidsskriftet Nature Communications.

 

Gennem et -selvudviklet mikrobølgeplasma-kemisk dampaflejringssystem introducerede forskerholdet en højfrekvent cyklisk pulseret nitrogen-dopingstrategi for at opnå lokal ikke--ligevægtskontrol under diamantvækstprocessen, idet de med succes forberedte en selv-understøttende ultra-hård diamantskive med en diameter på ca. 3 millimeter i diameter på ca. Waferens Vickers-hårdhed nåede 208,3 GPa, svarende til den for tidligere rapporterede nanotvindede diamanter, og dens slidstyrke var cirka 7 gange højere end traditionelle polykrystallinske diamanter. Høj-transmissionselektronmikroskopi og andre karakteriseringsteknikker afslørede dannelsen af et høj-tæthed tre-dimensionelt sammenvævet stablingsfejlnetværk (densitet, der når 4,3 × 10¹² cm⁻²) inde i waferen, og belyste den mikroskopiske doteringsmekanisme, hvorved nitrogendannelsen reducerer den stabiliserende energi. hårdhed. Dette arbejde giver en ny tilgang til stor-forberedelse af inch-størrede ultra-hårde diamanter og deres applikationer i avancerede-behandlingsområder.

 

Denne forskning producerede med succes en ultra-hård diamantwafer med en diameter på 5 tommer og en hårdhed på 208,3 GPa. Ved at bruge en selv-designet højfrekvent pulserende mikrobølgeplasma-kemisk dampaflejringsteknik og ved at anvende brint, methan, nitrogen og en lille mængde oxygen som kildegasser, blev et 5-tommer polykrystallinsk diamantsubstrat med en tykkelse på ca. 2,8 mm grafitsubstrat først dyrket på et underlag. Efterfølgende, gennem en-højfrekvent pulseret nitrogen-dopingproces, blev nitrogengasstrømningstiden præcist styret i hver cyklus (minimum 6 sekunder). Ved at bruge nitrogenatomer til at forstyrre plasmamiljøet, blev der skabt lokaliserede vækstbetingelser uden-ligevægt. Dette resulterede i dannelsen af ​​et ultra-høj-tre--sammenvævet stablingsfejlnetværk med høj-tæthed i diamanten, der opnåede fremragende ydeevne med fordoblet hårdhed og en syvdobling i slidstyrke.