Loading ...Исследовательская группа под руководством профессора Ян Лу с кафедры машиностроения инженерного факультета Гонконгского университета (HKU) и профессора Чэнмина Ли из Института передовых материалов и технологий Пекинского университета науки и технологий (USTB) успешно изготовила самоподдерживающуюся сверхтвердую алмазную пластину диаметром до 5 дюймов, толщиной 3 мм и твердостью по Виккерсу, превышающей 200 ГПа.
Данная работа впервые демонстрирует одновременное достижение размеров в дюймовом масштабе и сверхвысокой твердости в алмазных материалах, закладывая важную основу для разработки масштабируемых сверхтвердых алмазов для сложных применений в прецизионной обработке, полупроводниковых технологиях и аэрокосмической технике.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications под заголовком «Получение сверхтвердой алмазной пластины размером в дюйм с твердостью 200 ГПа методом высокочастотного импульсного локального неравновесного роста».
Алмаз широко считается идеальным полупроводником благодаря своей исключительной теплопроводности, сверхвысокому пробойному электрическому полю, радиационной стойкости и механической прочности, которые значительно превосходят показатели традиционных полупроводниковых материалов, таких как кремний и карбид кремния. Однако масштабируемое производство сверхтвердого алмаза в масштабе дюйма без связующих веществ долгое время оставалось критическим узким местом из-за ограничений традиционных методов высокого давления и высокой температуры (HPHT).
Команда HKU–USTB разработала специализированную систему химического осаждения из газовой фазы с использованием микроволновой плазмы (MPCVD) и внедрила инновационную стратегию высокочастотного импульсного легирования азотом, создав быстро переключающуюся локальную неравновесную среду роста во время осаждения алмаза. Благодаря точному контролю химического состава плазмы и условий роста, команда успешно получила 5-дюймовую свободностоящую алмазную пластину.
Высокочастотное импульсное введение источника азота вызывает быстрые колебания как состава плазмоактивных частиц, так и температуры роста в течение чрезвычайно короткого периода времени, тем самым преодолевая ограничения традиционных стабильных режимов роста. Этот динамический механизм регулирования не только улучшает реконструкцию поверхности и контроль дефектов, но и эффективно способствует формированию специфических микроструктур.
Механические характеристики показали, что твердость по Виккерсу этого алмаза может достигать 208,3 ГПа, что вдвое выше, чем у обычных алмазов, и что сверхтвердая алмазная пластина обладает выдающейся износостойкостью и структурной стабильностью. Ее износостойкость примерно в семь раз выше, чем у обычно используемых поликристаллических алмазных подложек, и она способна создавать четкие царапины на высококачественных монокристаллических алмазных поверхностях, что еще раз демонстрирует ее исключительные обрабатывающие возможности. Кроме того, стратегия импульсного роста с азотным легированием позволяет наносить покрытия на обычно используемые трехмерные поверхности инструментов.
Высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия дополнительно выявила микроскопическое происхождение сверхвысокой твердости. Алмазная пластина содержит чрезвычайно высокую плотность трехмерных взаимосвязанных сетей дефектов упаковки, достигающую 4,3 × 10¹² см⁻², что эффективно подавляет движение дислокаций. Спектроскопия потерь энергии электронов и расчеты из первых принципов показывают, что включение азота значительно снижает энергию образования дефектов упаковки, способствуя их стабильному формированию в процессе роста.
Успешное изготовление сверхтвердых алмазных пластин дюймового размера открывает новые возможности для применения алмазов в электронике, работающей в экстремальных условиях, передовом производстве и управлении тепловыми процессами в полупроводниках. В связи с быстрым развитием полупроводниковых технологий со сверхширокозонной запрещенной зоной, ожидается, что алмазные пластины будут играть все более важную роль в микроэлектромеханических системах (MEMS), управлении тепловыми процессами для мощных и высокочастотных чипов, датчиках, работающих в экстремальных условиях, и передовых технологиях упаковки.
«В перспективе контролируемая модуляция микроструктуры и зонной структуры будет иметь решающее значение для создания микроэлектронных и оптоэлектронных устройств следующего поколения на основе алмаза. Благодаря своей превосходной твердости и механической стабильности, разработанная в этом исследовании сверхтвердая алмазная пластина, как ожидается, послужит идеальной платформой для алмазных МЭМС и наноструктур, способствуя промышленному внедрению устройств на основе алмаза с регулируемым напряжением», — сказал профессор Лу.
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
138
