Napolitană de diamant cu auto-susținere de 5-inchi! Duritatea atinge 208,3 GPa

Napolitană de diamant cu auto-susținere de 5-inchi! Duritatea atinge 208,3 GPa

Diamantul, fiind cel mai dur material din natură, are aplicații importante în prelucrarea de ultra-precizie, semiconductori și aerospațial. Metodele tradiționale de-înaltă temperatură și de înaltă{3}}presiune pentru sinteza diamantelor suferă de limitări în ceea ce privește dimensiunea, prezența lianților și dificultăți de a obține o duritate care depășește cea a diamantelor naturale. În timp ce progresele recente în proiectarea nanostructurii (cum ar fi nanotwinningul) au îmbunătățit semnificativ duritatea, dimensiunile eșantioanelor sunt de obicei doar în intervalul milimetrilor, iar condițiile de sinteză sunt extreme, ceea ce face dificilă obținerea unei producții la scară mare de diamante ultra{-de dimensiune inch-, fără liant, ultra{{8}. Deși tehnologia depunerii chimice în vapori (CVD) are potențialul de a produce diamante de dimensiuni mari-, duritatea sa a fost de mult timp dificil să depășească 200 GPa. Prin urmare, dezvoltarea unei noi metode pentru prepararea controlată a diamantelor de dimensiuni mari-ultra-dure a devenit o nevoie urgentă în acest domeniu.

 

O echipă de cercetare condusă de Li Chengming și Liu Jinlong de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing și Lu Yang de la Universitatea din Hong Kong a publicat o lucrare de cercetare intitulată „Inch-scale ultrahard diamond wafer with 200 GPa hardness via high-pulsed local non-equilibrium growth” în revista Nature Communications.

 

Printr-un sistem de depunere chimică de vapori cu plasmă cu microunde dezvoltat de sine stătător, echipa de cercetare a introdus o strategie de dopaj cu azot pulsat ciclic de înaltă frecvență pentru a obține un control local de neechilibru în timpul procesului de creștere a diamantului, pregătind cu succes o placă de diamant ultra{{4}dură cu o grosime de aproximativ 3 milimetri de diametru și o grosime de aproximativ 3 milimetri. Duritatea Vickers a plachetei a atins 208,3 GPa, comparabilă cu cea a diamantelor nanotwinned raportate anterior, iar rezistența sa la uzură a fost de aproximativ 7 ori mai mare decât a diamantelor policristaline tradiționale. Microscopia electronică cu transmisie de înaltă-rezoluție și alte tehnici de caracterizare au dezvăluit formarea unei rețele de defecțiuni de stivuire tridimensionale de-densitate înaltă{-interțesută (densitatea care atinge 4,3 × 10¹² cm⁻²) în interiorul plachetei și au elucidat mecanismul microscopic prin care energia de dopaj de azot crește duritatea formării defectelor de azot. Această lucrare oferă o nouă abordare pentru pregătirea-la scară largă a diamantelor ultra-de dimensiuni în inchi-și aplicațiile acestora în domenii de procesare-de ultimă generație.

 

Această cercetare a produs cu succes o napolitană de diamant ultra-dură cu un diametru de 5 inchi și o duritate de 208,3 GPa. Folosind o tehnică de depunere chimică a vaporilor cu plasmă cu microunde cu pulsuri de înaltă frecvență proiectată de înaltă frecvență și utilizând hidrogen, metan, azot și o cantitate mică de oxigen ca gaze sursă, un substrat de diamant policristalin de 5-inchi cu o grosime de aproximativ 2,8 mm a fost cultivat mai întâi pe un substrat de grafit. Ulterior, printr-un proces de dopaj cu azot pulsat de{12}}frecvență înaltă, timpul de curgere a gazului de azot a fost controlat cu precizie în fiecare ciclu (minim 6 secunde). Prin utilizarea atomilor de azot pentru a perturba mediul plasmatic, au fost create condiții de creștere localizate fără echilibru. Acest lucru a dus la formarea unei rețele de falii de stivuire împletite tridimensionale cu densitate ultra{-{-de ultra{{-densitate{-în cadrul diamantului, obținând performanțe excelente cu duritate dublată și o creștere de șapte ori a rezistenței la uzură.