1 הקדמה
ליהלום יש תכונות מכניות, אופטיות, תרמיות וחשמליות מצוינות, מה שהופך אותו לחומר רב-תכליתי טיפוסי עם אפשרויות יישום רחבות בתחומי-היי-טק רבים כגון תעופה וחלל, אנרגיה, חיישנים חכמים ועיבוד שבבי מדויק [1]. עם הביקוש הגובר ליהלומים, עתודות היהלומים הטבעיים מוגבלות ויקרות ביותר, שאינן יכולות לענות על הצרכים החברתיים ההולכים וגדלים. לכן, חוקרים בחנו ללא הרף שיטות חדשות לסינתזה מלאכותית של יהלומים.
השיטות העיקריות להכנת יהלום סינטטי הן שיטת-לחץ גבוה-בטמפרטורה גבוהה (HPHT) ושקיעת אדים כימית (CVD). חלקיקי יהלום המסונתזים בשיטת HPHT הם לרוב קטנים בגודלם ולרוב מכילים כמות גדולה של זיהומי זרז. לפיכך, היקף היישום שלהם מוגבל, בעיקר לחומרים שוחקים וכלים (למשל, יהלום רב גבישי, PCD) [2]. בשנים האחרונות, טכנולוגיית השקיעה כימית (CVD) התגלתה כמוקד מחקר מבטיח ביותר. גבישי יהלומים שהוכנו על ידי CVD הם בעלי גדלי גרגירים וצורות גבישים הקרובות ביותר לאלו של יהלום טבעי ומציגים תכונות מצוינות [3].
2 הכנת סרטי יהלום על ידי CVD
שיטת CVD היא טכנולוגיית מפתח להכנת סרטים דקים באמצעים כימיים. נעשה בו שימוש נרחב בהכנת חומרי סרט דק שונים ומהווה גם שיטה חשובה לייצור סרטי יהלומים. בשנים האחרונות, המחקר על סינתזת סרטי יהלומים על ידי CVD התקדם במהירות, וכעת הושגו יכולות ייצור ויישום בקנה מידה גדול-.
2.1 מנגנון צמיחה [4]
סינתזת CVD של יהלום כוללת בדרך כלל פירוק פחמן-המכיל מבשרים באמצעות אנרגיה באטמוספרה מפחיתה כדי ליצור מימן אטומי, מה שמקל על צמיחת יהלומים. תהליך הגידול כולל במיוחד את השלבים הבסיסיים הבאים: (1) המבשר (בדוגמה CH₄) מוכנס לכור CVD; (2) המבשר הגזי מתפרק על ידי אנרגיה (פלזמה או אנרגיה תרמית) לרדיקלים חופשיים (CₓHᵧ וכו'); (3) רדיקלים חופשיים מתנגשים זה בזה עד שהם מגיעים למשטח המצע; (4) רדיקלים חופשיים נספגים על פני המצע; (5) הרדיקלים החופשיים הנספגים מתפרקים ליצירת מיני פחמן פעילים ומתפזרים על פני השטח; (6) מינים פעילים יוצרים את סריג היהלום; (7) מינים לא-פעילים (כגון מימן) נספגים מפני השטח, ויוצרים מולקולות מימן או תוצרי לוואי אחרים-; (8) תוצרי הלוואי- מתפזרים מהשטח דרך שכבת הגבול ובסופו של דבר מוסרים על ידי זרימת הגז בתפזורת.
2.2 טכניקות הכנה
מאז הופעתה של הכנת יהלומי CVD בשנות ה-80, חוקרים ערכו מחקרים מעמיקים-, שהובילו לפיתוח שיטות CVD שונות [5]. נכון לעכשיו, טכניקות הכנת סרט יהלומים בוגרות כוללות CVD נימה חמה (HFCVD), CVD פלזמה במיקרוגל (MPCVD) ו-CVD (DCPJCVD).
2.2.1 Hot Filament CVD (HFCVD)
בשיטת HFCVD, גזי פחמימנים כגון מתאן (CH₄) ואצטילן, יחד עם מימן (H₂), מוכנסים לתא התגובה. טמפרטורת החוטים בתא היא מעל 2000 מעלות, והגז המעורב מתפרק בטמפרטורה גבוהה כדי לייצר רדיקלי פחמן הכלאיים sp³ הנחוצים לסינתזת יהלומים, אשר לאחר מכן יוצרים סרט יהלום על פני המצע [6].
לשיטת HFCVD יש את היתרונות של ציוד פשוט, קצב השקת סרט גבוה, תפעול קל, עלות נמוכה וטכנולוגיה בוגרת. נעשה בו שימוש נרחב בייצור תעשייתי והוא גם אחת השיטות העיקריות להכנת ציפוי יהלומים מיקרו-גבישיים, ציפויי יהלומים ננו-גבישיים וציפויי פחמן -כמו יהלומים [2]. החסרונות שלו כוללים: החוט החם אינו מעורר את הגז במידה גבוהה, והלהט עצמו עלול לזהם את סרט היהלום; החוט נוטה לעיוות במהלך החימום, מה שפוגע באחידות הסרט שהופקד; ולנימה יש אורך חיים קצר, מה שהופך אותו לא מתאים להנחת-טווח ארוך של דגימות סרט עבה [7].
נכון לעכשיו, המחקר על הכנת סרט יהלומים באמצעות HFCVD בשל יחסית הן מקומי והן בינלאומי. עם זאת, עדיין יש צורך בחקירה נוספת כיצד להתאים פרמטרים של תהליך לשיפור איכות סרט היהלומים [2]. פרמטרים מרכזיים של תהליך כוללים קצב ויחס זרימת גז, טמפרטורת נימה, סוג וטמפרטורה של המצע ולחץ תא תגובה.
2.2.2 זרם ישר Arc Plasma Jet CVD (DCPJCVD)
שיטת DCPJCVD היא טכניקת גידול יהלומי CVD ייחודית שפותחה על ידי חוקרים סינים [4]. העיקרון שלו הוא להשתמש בפריקת קשת DC בהספק- גבוה כדי לעורר גז תגובה המורכב בעיקר מ-CH₄-H₂-Ar לתוך פלזמה, אשר נפלטת במהירות גבוהה על פני המצע, תוך הנחת סרט יהלום [7].
בהשוואה לטכניקות שיקוע CVD אחרות, ל-DCPJCVD יש את היתרונות של קצב שיקוע הגבוה ביותר, מתח פריקה נמוך, זרם פריקה גבוה, דרגת יינון גבוהה, צפיפות פלזמה גבוהה ושטח שיקוע גדול. קצב השקיעה המרבי שלו יכול להגיע ל-1000 מיקרומטר לשעה, מה שהופך אותו למתאים לייצור של סרטי יהלומים בשטח- גדול. כיום זוהי השיטה המהירה ביותר לסינתזה של סרטי יהלום, אך היא דורשת השקעת ציוד משמעותית, עיבוד מורכב, ואחידות הסרט עדיין זקוקה לשיפור [4].
בסין, האוניברסיטה למדע וטכנולוגיה בבייג'ינג והאקדמיה למדעים של הביי פיתחו ושיכללו יחד טכנולוגיה זו [8]. כיום, סרטי יהלומים שהוכנו על ידי טכנולוגיית DC arc plasma jet בסין הם ברמה מתקדמת מבחינת איכות ושטח בהשוואה לאלו המיוצרים באותה שיטה בחו"ל, ומוצרי סרטי יהלומים נלווים כבר נכנסו לשוק הבינלאומי בתפזורת כחומרי כלים סופר קשיחים.
2.2.3 מיקרוגל פלזמה CVD (MPCVD)
בשיטת MPCVD להכנת סרט יהלום, השדה האלקטרומגנטי בתדירות הגבוהה- הנוצר על ידי מגנטרון מיקרוגל גורם לאלקטרונים להתנודד במרץ בחלל מצומצם. אלקטרונים אלו מתנגשים באינטנסיביות עם מולקולות ואטומים גז בחלל, מייננים את הגז ומייצרים רדיקלים פעילים כגון -CH₃ ו-H. מינים פעילים אלו עוברים תגובות פיזיקוכימיות, נעים לעבר המצע, ולאחר מכן סופגים, מתפזרים, מייצרים גרעין וגדלים על פני השטח של סרט המצע, ובסופו של דבר מצע יהלום [9].
תכונה בולטת של MPCVD היא שפזמת המיקרוגל יכולה להשיג פריקה יציבה ללא אלקטרודות באמצעות השדה החשמלי בתדר- הגבוה, ובכך להפחית את זיהום הדגימות. בנוסף, המיקרוגל גורם לתנודת גז נמרצת, מפעיל ביעילות את הגז ויוצר פלזמה בצפיפות- גבוהה, המאפשרת צמיחת סרטי יהלומים- באיכות גבוהה [10]. הקושי טמון ביצירת שטח שיקוע גדול ואחיד, המושפע מגורמים רבים, לרבות התפלגות השדה החשמלי בחלל, שינוי טמפרטורת המצע, עוצמת המיקרוגל והפצה של רדיקלים פעילים. יתר על כן, קצב השקעת סרט היהלומים נמוך בדרך כלל מזה של DC arc פלזמה CVD [4].
כדי לפצות על קצב השקיעה הנמוך של MPCVD, חוקרים זרים הגדילו ללא הרף את כוח הקלט של הציוד כדי לשפר את קצב השקיעה. במשך עשרות שנים של פיתוח, ההספק עלה מכמה מאות וואט לכמעט 100 קילוואט, מה שמשפר משמעותית את אזור ההשקעה, קצב ההשקעה ואיכות סרטי היהלומים. מחקר מקומי על הכנת יהלומי MPCVD החל מאוחר יחסית, אך באמצעות מחקר ופיתוח מתמשכים, סין עמדה במידה רבה בקצב ההתקדמות הבינלאומית, אם כי נותרו פערים ביישומים איכותיים ומסחריים. ב-20 השנים האחרונות, צוותי מחקר מקומיים התמקדו בתכנון תהודה כדי להמשיך בפיתוח יהלומים מסחריים בקנה מידה גדול [11].
3 יישומים של סרטי יהלום
3.1 יישומים אופטיים
לסרטי יהלום יש תכונות אופטיות מצוינות, כולל שידור גבוה, מקדם שבירה נמוך ופיזור נמוך. הם משמשים לעתים קרובות לייצור חלונות אופטיים, עדשות אופטיות ורכיבים אחרים, עם סיכויי יישום יוצאי דופן בתחומי-היי-טק כגון צבא, תקשורת וטכנולוגיית לוויין. לסרטי יהלום יש תכונות פיזיקוכימיות מצוינות, העברה טובה במיוחד מהאולטרה סגול לטווחי האינפרא אדום והמיקרוגל הרחוקים-. כאשר משתמשים בהם עבור חלונות אופטיים, הם יכולים למנוע ביעילות אפקטים של עדשות תרמיות, שחיקת גשם, שחיקת חול ועיוות אופטי. בנוסף, סרטי יהלומים משמשים לעתים קרובות בחלונות ומסכות קרני רנטגן,-מטרות להעברת קרני רנטגן, עדשות אופטיות והתקנים אחרים [12].
3.2 יישומים תרמיים
בעבר, צפיפות גבוהה, הספק גבוה ונפח קטן הפכו לטרנדים המתמשכים בפיתוח מכשירים אלקטרוניים בתחום המיקרו-אלקטרוניקה. עם זאת, עם מגמה זו, החום שנוצר על ידי רכיבים יגדל באופן משמעותי. לסרטי יהלום CVD יש תכונות דומות לאלו של יהלום טבעי, במיוחד מקדם התפשטות תרמית נמוך במיוחד, מוליכות תרמית- גבוהה במיוחד ובידוד חשמלי. הם חומרים אידיאליים לגוף קירור וחומרי אריזה, הנמצאים בשימוש נרחב במכשירי לייזר-בהספקים גבוהים, במעגלים משולבים-בקנה מידה גדול, טרנזיסטורי כוח RF, חלונות אופטיים- בהספק גבוה והתקנים אחרים.
3.3 יישומים אקוסטיים
עם האימוץ הנרחב של ציוד שמע, דרישות הצרכנים לאיכות הרמקולים עלו בהתמדה. בהשוואה לחומרי דיאפרגמה מסורתיים כמו סיבי פחמן, קרמיקה ובריליום, לסרטי יהלום יש צפיפות נמוכה יותר ומודול אלסטי גבוה יותר. יחד עם זאת, גבולות התבואה בסרטי יהלום רב-גבישיים יכולים לספק חיכוך פנימי אידיאלי, ולהעניק להם תכונות מקיפות עדיפות בהרבה מאלה של חומרים מסורתיים, מה שהופך את היהלום לבחירה מצוינת עבור דיאפרגמות רמקולים. בנוסף, שימוש במדיה עם מהירות אקוסטית גבוהה הוא אמצעי מרכזי להגדלת תדירות הפעולה של מכשירים. יהלום הוא כיום החומר בעל מהירות ההתפשטות האקוסטית הגבוהה ביותר הידועה, שיכולה לשפר מאוד את תדירות הפעולה של התקני גל אקוסטיים משטחים (SAW), המאפשרת המרה הדדית של אותות RF ורעידות מכניות, ומציעה אפשרויות יישום רחבות בלוויין, תקשורת ניידת ותחומים אחרים [10].
3.4 יישומי חשמל
בשל מרווח הפס הרחב של היהלום, ניידות האלקטרונים והחורים הגבוהים, שדה חשמלי גבוה, קבוע דיאלקטרי נמוך, התנגדות גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה, הוא מתאים מאוד למכשירי מוליכים למחצה משולבים במיוחד הפועלים בטמפרטורה גבוהה, הטיה גבוהה, הספק גבוה ותנאי קרינה גבוהים. לכן, יהלום צפוי להחליף את הסיליקון כחומר אידיאלי למכשירים אלקטרוניים שחייבים לפעול בצורה אמינה בתנאים קשים כמו טמפרטורה גבוהה ועמידות בפני קרינה.
3.5 יישומים ביו-רפואיים
סרטי יהלומים משלבים תאימות ביולוגית טובה, תכונות מכניות מצוינות ויציבות כימית, מה שהופך אותם לחומרים ביולוגיים מבטיחים מאוד-הדור הבא. התכונות המכניות המעולות והיציבות הכימית שלהם יכולים להפחית במידה ניכרת את הבלאי ואת הקורוזיה האלקטרוכימית של שתלים מצופים יהלומים.- יכולת השינוי של פני השטח, התאימות הביולוגית והמוליכות החשמלית המצוינת לאחר סימום של סרטי יהלום CVD הופכים אותם גם לתומכים מצוינים עבור חיישנים ביולוגיים. בהשוואה לתמיכים אחרים, חיישנים ביו המבוססים על מצעי סרט יהלום מציעים יציבות, אמינות ורגישות גבוהות יותר.