1 Giriş
Elmas mükemmel mekanik, optik, termal ve elektriksel özelliklere sahiptir; bu da onu havacılık, enerji, akıllı sensörler ve hassas işleme gibi birçok yüksek{0}}teknoloji alanında geniş uygulama potansiyeli olan tipik çok işlevli bir malzeme haline getirir [1]. Elmasa olan talebin artmasıyla birlikte doğal elmas rezervleri sınırlı ve aşırı pahalı olup, artan toplumsal ihtiyaçları karşılayamamaktadır. Bu nedenle araştırmacılar, elmasın yapay olarak sentezlenmesi için sürekli olarak yeni yöntemler araştırıyorlar.
Sentetik elmas hazırlamanın ana yöntemleri, yüksek-basınçlı yüksek-sıcaklık (HPHT) yöntemi ve kimyasal buhar biriktirmedir (CVD). HPHT yöntemiyle sentezlenen elmas parçacıkları çoğunlukla küçüktür ve çoğunlukla büyük miktarda katalizör safsızlığı içerir. Bu nedenle, uygulama kapsamları öncelikle aşındırıcılar ve aletlerle (örneğin, çok kristalli elmas, PCD) sınırlıdır [2]. Son yıllarda kimyasal buhar biriktirme (CVD) teknolojisi oldukça umut verici bir araştırma noktası olarak ortaya çıktı. CVD ile hazırlanan elmas kristalleri, doğal elmasa en yakın tane boyutlarına ve kristal şekillerine sahiptir ve mükemmel özellikler sergiler [3].
2 CVD ile Elmas Filmlerin Hazırlanması
CVD yöntemi, ince filmlerin kimyasal yollarla hazırlanmasında önemli bir teknolojidir. Çeşitli ince film malzemelerinin hazırlanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır ve aynı zamanda elmas filmlerin üretiminde de önemli bir yöntemdir. Son yıllarda CVD yoluyla elmas film sentezine yönelik araştırmalar hızla ilerledi ve artık büyük-ölçekli üretim ve uygulama yeteneklerine ulaşıldı.
2.1 Büyüme Mekanizması [4]
Elmasın CVD sentezi genellikle elmas büyümesini kolaylaştıran atomik hidrojen üretmek için indirgeyici bir atmosferde enerji kullanan karbon-içeren öncüllerin ayrıştırılmasını içerir. Büyüme süreci özellikle aşağıdaki temel adımları içerir: (1) Öncü (CH₄ ile örneklenmiştir) CVD reaktörüne eklenir; (2) Gaz halindeki öncü, enerji (plazma veya termal enerji) tarafından serbest radikallere (CₓHᵧ, vb.) ayrıştırılır; (3) Serbest radikaller substrat yüzeyine ulaşana kadar birbirleriyle çarpışır; (4) Serbest radikaller substrat yüzeyine adsorbe olur; (5) Adsorbe edilen serbest radikaller aktif karbon türleri oluşturacak şekilde ayrışır ve yüzey üzerinde yayılır; (6) Aktif türler elmas kafesi oluşturur; (7) Aktif olmayan-türler (hidrojen gibi) yüzeyden ayrılarak hidrojen molekülleri veya diğer yan ürünleri-oluşturur; (8) Yan ürünler-sınır tabakası yoluyla yüzeyden uzağa yayılır ve sonunda toplu gaz akışıyla uzaklaştırılır.
2.2 Hazırlama Teknikleri
1980'lerde CVD elmas hazırlığının ortaya çıkmasından bu yana araştırmacılar,{1}sürekli derinlemesine çalışmalar yürüttüler ve bu da çeşitli CVD yöntemlerinin geliştirilmesine yol açtı [5]. Şu anda olgun elmas film hazırlama teknikleri arasında sıcak filament CVD (HFCVD), mikrodalga plazma CVD (MPCVD) ve doğru akım ark plazma jet CVD (DCPJCVD) yer almaktadır.
2.2.1 Sıcak Filament CVD (HFCVD)
HFCVD yönteminde metan (CH₄) ve asetilen gibi hidrokarbon gazları hidrojen (H₂) ile birlikte reaksiyon odasına verilir. Odadaki filaman sıcaklığı 2000 derecenin üzerindedir ve karışık gaz, elmas sentezi için gerekli olan sp³ hibridize karbon radikallerini üretmek için yüksek sıcaklıkta ayrışır ve bunlar daha sonra substrat yüzeyinde bir elmas filmi oluşturur [6].
HFCVD yöntemi, basit ekipman, yüksek film biriktirme oranı, kolay kullanım, düşük maliyet ve olgun teknoloji gibi avantajlara sahiptir. Endüstriyel üretimde yaygın olarak kullanılmaktadır ve aynı zamanda mikrokristalin elmas kaplamalar, nanokristalin elmas kaplamalar ve elmas-benzeri karbon kaplamalar [2] hazırlamak için ana yöntemlerden biridir. Dezavantajları şunlardır: sıcak filaman gazı yüksek derecede uyarmaz ve filamanın kendisi elmas filmi kirletebilir; filaman ısıtma sırasında deformasyona eğilimlidir, bu da biriktirilen filmin tekdüzeliğini bozar; ve filamanın kısa bir ömrü vardır, bu da onu kalın film örneklerinin uzun-dönemli biriktirilmesi için uygun hale getirmez [7].
Şu anda, HFCVD kullanılarak elmas film hazırlanmasına ilişkin araştırmalar hem yurt içinde hem de uluslararası alanda nispeten olgunlaşmış durumdadır. Bununla birlikte, elmas film kalitesini iyileştirmek için proses parametrelerinin nasıl ayarlanacağı konusunda hala daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır [2]. Temel proses parametreleri arasında gaz akış hızı ve oranı, filaman sıcaklığı, substrat türü ve sıcaklığı ve reaksiyon odası basıncı bulunur.
2.2.2 Doğru Akım Ark Plazma Jet CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD yöntemi, Çinli araştırmacılar tarafından geliştirilen benzersiz bir CVD elmas büyütme tekniğidir [4]. Prensibi, esas olarak CH₄-H₂-Ar'dan oluşan bir reaksiyon gazını bir plazmaya uyarmak için yüksek-güçlü DC ark deşarjı kullanmaktır; bu gaz daha sonra alt tabaka yüzeyine yüksek hızda püskürtülerek bir elmas filmi biriktirir [7].
Diğer CVD biriktirme teknikleriyle karşılaştırıldığında DCPJCVD, en yüksek biriktirme hızı, düşük deşarj voltajı, yüksek deşarj akımı, yüksek iyonizasyon derecesi, yüksek plazma yoğunluğu ve geniş biriktirme alanı gibi avantajlara sahiptir. Maksimum biriktirme hızı 1000 μm/saat'e ulaşabilir, bu da onu geniş-alanlı elmas filmlerin üretimi için uygun kılar. Şu anda elmas filmlerin sentezlenmesi için en hızlı yöntemdir, ancak önemli miktarda ekipman yatırımı, karmaşık işlem gerektirir ve film homojenliğinin hala iyileştirilmesi gerekmektedir [4].
Çin'de Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Hebei Bilimler Akademisi bu teknolojiyi ortaklaşa geliştirdi ve geliştirdi [8]. Şu anda Çin'de DC ark plazma jet teknolojisi ile hazırlanan elmas filmler, yurt dışında aynı yöntemle üretilenlere göre kalite ve alan açısından ileri düzeydedir ve ilgili elmas film ürünleri, süper sert takım malzemeleri olarak halihazırda uluslararası pazara toplu olarak girmiştir.
2.2.3 Mikrodalga Plazma CVD (MPCVD)
Elmas film hazırlamaya yönelik MPCVD yönteminde, bir mikrodalga magnetron tarafından üretilen yüksek-frekanslı elektromanyetik alan, elektronların kapalı bir alanda güçlü bir şekilde salınmasına neden olur. Bu elektronlar uzaydaki gaz molekülleri ve atomlarla yoğun bir şekilde çarpışır, gazı iyonize eder ve -CH₃ ve H gibi aktif radikalleri üretir. Bu aktif türler fizikokimyasal reaksiyonlara girer, alt katmana doğru hareket eder ve ardından alt katman yüzeyinde adsorbe edilir, yayılır, çekirdeklenir ve büyür, sonuçta bir elmas filmi oluşur [9].
MPCVD'nin dikkate değer bir özelliği, mikrodalga plazmanın, yüksek-frekanslı elektrik alanı aracılığıyla elektrotlar olmadan kararlı deşarj elde edebilmesi ve böylece numune kontaminasyonunu azaltabilmesidir. Ek olarak, mikrodalga güçlü bir gaz salınımına neden olur, gazı etkili bir şekilde aktive eder ve yüksek-yoğunlukta plazma üretir, bu da yüksek-kaliteli elmas filmlerin büyümesini sağlar [10]. Zorluk, boşluktaki elektrik alanı dağılımı, substrat sıcaklık değişimi, mikrodalga gücü ve aktif radikallerin dağılımı dahil olmak üzere birçok faktörden etkilenen geniş ve düzgün bir biriktirme alanı oluşturmada yatmaktadır. Ayrıca, elmas film biriktirme hızı genellikle DC ark plazma jeti CVD'ninkinden daha düşüktür [4].
MPCVD'nin düşük biriktirme oranını telafi etmek için yabancı araştırmacılar, biriktirme oranını artırmak amacıyla ekipmanın giriş gücünü sürekli olarak artırdılar. Onlarca yıl süren geliştirme süreci boyunca, güç birkaç yüz watt'tan yaklaşık 100 kW'a yükseldi ve elmas filmlerin biriktirme alanını, biriktirme hızını ve kalitesini önemli ölçüde geliştirdi. MPCVD elmas hazırlığına ilişkin yurt içi araştırmalar nispeten geç başladı, ancak sürekli araştırma ve geliştirme sayesinde Çin, kalite ve ticari uygulamalarda boşluklar kalmasına rağmen büyük ölçüde uluslararası ilerlemeye ayak uydurdu. Geçtiğimiz 20 yılda, yerli araştırma ekipleri büyük-ölçekli ticari elmas geliştirmeyi sürdürmek için rezonatör tasarımına odaklandılar [11].
3 Elmas Film Uygulamaları
3.1 Optik Uygulamalar
Elmas filmler, yüksek geçirgenlik, düşük kırılma indisi ve düşük saçılma gibi mükemmel optik özelliklere sahiptir. Genellikle askeriye, iletişim ve uydu teknolojisi gibi yüksek-teknoloji alanlarında olağanüstü uygulama potansiyeline sahip optik pencereler, optik lensler ve diğer bileşenleri üretmek için kullanılırlar. Elmas filmler mükemmel fizikokimyasal özelliklere, özellikle de morötesinden uzak-kızılötesine ve mikrodalga aralıklarına kadar iyi geçirgenliğe sahiptir. Optik pencereler için kullanıldıklarında termal mercek etkilerini, yağmur erozyonunu, kum erozyonunu ve optik bozulmayı etkili bir şekilde önleyebilirler. Ek olarak, elmas filmler genellikle X-ışını pencerelerinde ve maskelerinde, X-ışını iletim hedeflerinde, optik lenslerde ve diğer cihazlarda kullanılır [12].
3.2 Termal Uygulamalar
Geçmişte, yüksek yoğunluk, yüksek güç ve küçük hacim, mikroelektronik alanındaki elektronik cihazların geliştirilmesinde süregelen trendler haline geldi. Ancak bu eğilimle birlikte bileşenlerin ürettiği ısı önemli ölçüde artacaktır. CVD elmas filmleri, özellikle son derece düşük termal genleşme katsayısı, ultra-yüksek termal iletkenlik ve elektrik yalıtımı gibi, doğal elmasla karşılaştırılabilecek özelliklere sahiptir. Bunlar, yüksek-güçlü lazer cihazlarda, büyük-ölçekli entegre devrelerde, RF güç transistörlerinde, yüksek-güçlü optik pencerelerde ve diğer cihazlarda yaygın olarak kullanılan ideal ısı emici malzemeleri ve paketleme malzemeleridir.
3.3 Akustik Uygulamalar
Ses ekipmanlarının yaygın biçimde benimsenmesiyle birlikte, tüketicilerin hoparlör kalitesine yönelik talepleri de istikrarlı bir şekilde arttı. Karbon fiber, seramik ve berilyum gibi geleneksel diyafram malzemeleriyle karşılaştırıldığında elmas filmler daha düşük yoğunluğa ve daha yüksek elastik modüle sahiptir. Aynı zamanda, çok kristalli elmas filmlerdeki tanecik sınırları ideal iç sürtünme sağlayabilir, bu da onlara geleneksel malzemelerden çok daha üstün kapsamlı özellikler kazandırır ve elması hoparlör diyaframları için mükemmel bir seçim haline getirir. Ayrıca yüksek akustik hıza sahip ortamların kullanılması, cihazların çalışma frekansını arttırmanın önemli bir yoludur. Elmas şu anda bilinen en yüksek akustik yayılma hızına sahip malzemedir; yüzey akustik dalga (SAW) cihazlarının çalışma frekansını büyük ölçüde geliştirebilir, RF sinyallerinin ve mekanik titreşimlerin birbirine dönüştürülmesini sağlar ve uydu, mobil iletişim ve diğer alanlarda geniş uygulama olanakları sunar [10].
3.4 Elektrik Uygulamaları
Elmasın geniş bant aralığı, yüksek elektron ve delik hareketliliği, yüksek arızalı elektrik alanı, düşük dielektrik sabiti, yüksek direnç ve yüksek termal iletkenliği nedeniyle, yüksek sıcaklık, yüksek önyargı, yüksek güç ve yüksek radyasyon koşulları altında çalışan yüksek düzeyde entegre yarı iletken cihazlar için oldukça uygundur. Bu nedenle elmasın, yüksek sıcaklık ve radyasyon direnci gibi zorlu koşullar altında güvenilir bir şekilde çalışması gereken elektronik cihazlar için ideal bir malzeme olarak silikonun yerini alması bekleniyor.
3.5 Biyomedikal Uygulamalar
Elmas filmler iyi biyouyumluluk, mükemmel mekanik özellikler ve kimyasal kararlılığı bir araya getirerek onları son derece umut verici yeni-nesil biyomateryaller haline getiriyor. Üstün mekanik özellikleri ve kimyasal stabiliteleri, elmas-kaplı implantların aşınmasını ve elektrokimyasal korozyonunu büyük ölçüde azaltabilir. CVD elmas filmlerin katkılanmasından sonra yüzey değiştirilebilirliği, biyouyumluluğu ve mükemmel elektriksel iletkenliği, onları biyosensörler için mükemmel destekler haline getirir. Diğer desteklerle karşılaştırıldığında elmas film substratlarına dayalı biyosensörler daha yüksek stabilite, güvenilirlik ve hassasiyet sunar.