Kim cương nhân tạo (p2)
Phương pháp CVD áp suất thấp được Wiliam G. Eversole tại Công ty Union Carbide công bố lần đầu tiên năm 1952. Nhưng khi đó nhiều người nghi ngờ kết quả này vì cho rằng do có lẫn grafit nên kim cương sẽ không bền về mặt nhiệt động học. Một số nhà nghiên cứu cho rằng việc tổng hợp kim cương ở áp suất thấp là sự ngu ngốc hoặc lừa đảo, vì nó vi phạm Định luật nhiệt động học thứ hai. Sau đó, Công ty Union Carbide đã từ bỏ dự án sản xuất kim cương của mình. Nhưng một nhóm nhỏ các nhà khoa học Mỹ và Nga đã kiên trì theo đuổi hướng nghiên cứu này. Cuối thập niên 1960, giáo sư Angus tại Đại học Tổng hợp Case Western Reserve (Mỹ) đã chứng minh việc nuôi cấy kim cương bằng phương pháp CVD là khả thi. Trong thập niên 1980, các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu vật liệu vô cơ, Nhật Bản, đã hoàn thiện phương pháp này để có thể áp dụng trên quy mô thương mại với hiệu quả kinh tế.
Theo giáo sư Angus, trong những điều kiện tổng hợp theo phương pháp CVD thì yếu tố then chốt đối với việc nuôi cấy kim cương không phải là grafit mà là hydro. Ở bề mặt, mạng lưới tinh thể carbon của kim cương có những liên kết "đu đưa", có khả năng liên kết chéo để sắp xếp lại bề mặt thành grafit bền hơn. Nếu dùng hydro để “bịt“ các liên kết này thì sẽ ngăn cản sự hình thành grafit và tạo ra các điểm hoạt tính bề mặt để gắn các gốc carbon.
Tại thiết bị kết lắng hơi hóa chất của Công ty Apollo, khí hydro và metan được cho đi qua khoang có chứa tinh thể mầm kim cương (thường là kim cương nhân tạo bằng phương pháp áp suất cao và nhiệt độ cao đã được mài rất bóng). Khí hydro bị tách thành các nguyên tử hydro do tác động của đèn dây tóc nóng hoặc plasma do vi sóng tạo ra. Do đó, hydro nguyên tử sẽ phản ứng với metan để tạo thành gốc metyl và khí hydro. Gốc metyl chứa carbon cuối cùng sẽ kết lắng lên mầm kim cương, tạo thành các liên kết C - C mới của kim cương.
Kim cương đơn tinh thể
Cho đến những năm gần đây, phần lớn kim cương được nuôi cấy bằng phương pháp CVD không phải là đơn tinh thể mà là đa tinh thể. Kim cương đa tinh thể là sự “chắp vá” của các tinh thể kim cương nhỏ (đôi khi cả các tinh thể grafit nhỏ). Do nó giữ được nhiều tính chất tốt của kim cương đơn tinh thể nên kim cương đa tinh thể cũng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Tuy nhiên, do liên kết C - C giữa các tinh thể nhỏ xíu với nhau trong kim cương đa tinh thể yếu hơn liên kết C - C trong mạng tinh thể kim cương đơn tinh thể, nên các tính chất dẫn nhiệt, trong suốt về quang học và độ bền của kim cương đa tinh thể không cao bằng kim cương đơn tinh thể. Trên thực tế, đối với một số ứng dụng - đặc biệt, nhất là những ứng dụng điện, người ta chỉ có thể sử dụng kim cương đơn tinh thể. Để có thể thay thế silic trong sản xuất dụng cụ điện tử, người ta cần có kim cương đơn tinh thể chất lượng cao với kích thước lớn thích hợp. Phương pháp CVD của Công ty Apollo đã cho phép tạo ra kim cương đơn tinh thể như vậy, tương tự như kim cương tự nhiên
Năm 2003, Công ty Element Six của Anh đã lần đầu tiên sản xuất được những tấm kim cương vuông với kích thước đường chéo tới 5 mm. Theo Công ty này, trong tương lai họ có khả năng sản xuất được những tấm kim cương với kích thước đường chéo trên 4 inch (khoảng 100 mm).
(Những tấm kim cương đơn tinh thể của công ty Element Six sản xuất sử dụng trong ngành cơ khí và nghiên cứu)
Nhờ tính dẫn nhiệt cao và tính lưu động điện tử cao, kim cương bán dẫn đơn tinh thể sẽ là vật liệu thích hợp cho các dụng cụ điện tử công suất cao. Nhiều công ty đã tích cực nghiên cứu tìm cách chế tạo các loại kim cương bán dẫn loại p và loại n. Những vật liệu này có triển vọng ứng dụng đầy hứa hẹn: Ngày nay các mạch vi xử lý phải chạy với nhiệt độ ngày càng cao hơn, do số transitor lắp trên chúng ngày càng nhiều. Nếu xu hướng này tiếp tục diễn ra, vật liệu silic sẽ không thể đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu nhiệt. Khi đó kim cương sẽ là vật liệu thay thế hoàn hảo.
Do giá thành cao nên kim cương nhân tạo không thể thay thế hoàn toàn silic trong nhiều ứng dụng. Nhưng trong một số ứng dụng đặc biệt với những yêu cầu rất cao, ví dụ các dụng cụ hoạt động với công suất cao hoặc ở nhiệt độ cao, thì kim cương nhân tạo sẽ là vật liệu không thể thiếu.
Theo giáo sư Angus, trong những điều kiện tổng hợp theo phương pháp CVD thì yếu tố then chốt đối với việc nuôi cấy kim cương không phải là grafit mà là hydro. Ở bề mặt, mạng lưới tinh thể carbon của kim cương có những liên kết "đu đưa", có khả năng liên kết chéo để sắp xếp lại bề mặt thành grafit bền hơn. Nếu dùng hydro để “bịt“ các liên kết này thì sẽ ngăn cản sự hình thành grafit và tạo ra các điểm hoạt tính bề mặt để gắn các gốc carbon.
Tại thiết bị kết lắng hơi hóa chất của Công ty Apollo, khí hydro và metan được cho đi qua khoang có chứa tinh thể mầm kim cương (thường là kim cương nhân tạo bằng phương pháp áp suất cao và nhiệt độ cao đã được mài rất bóng). Khí hydro bị tách thành các nguyên tử hydro do tác động của đèn dây tóc nóng hoặc plasma do vi sóng tạo ra. Do đó, hydro nguyên tử sẽ phản ứng với metan để tạo thành gốc metyl và khí hydro. Gốc metyl chứa carbon cuối cùng sẽ kết lắng lên mầm kim cương, tạo thành các liên kết C - C mới của kim cương.
Kim cương đơn tinh thể
Cho đến những năm gần đây, phần lớn kim cương được nuôi cấy bằng phương pháp CVD không phải là đơn tinh thể mà là đa tinh thể. Kim cương đa tinh thể là sự “chắp vá” của các tinh thể kim cương nhỏ (đôi khi cả các tinh thể grafit nhỏ). Do nó giữ được nhiều tính chất tốt của kim cương đơn tinh thể nên kim cương đa tinh thể cũng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Tuy nhiên, do liên kết C - C giữa các tinh thể nhỏ xíu với nhau trong kim cương đa tinh thể yếu hơn liên kết C - C trong mạng tinh thể kim cương đơn tinh thể, nên các tính chất dẫn nhiệt, trong suốt về quang học và độ bền của kim cương đa tinh thể không cao bằng kim cương đơn tinh thể. Trên thực tế, đối với một số ứng dụng - đặc biệt, nhất là những ứng dụng điện, người ta chỉ có thể sử dụng kim cương đơn tinh thể. Để có thể thay thế silic trong sản xuất dụng cụ điện tử, người ta cần có kim cương đơn tinh thể chất lượng cao với kích thước lớn thích hợp. Phương pháp CVD của Công ty Apollo đã cho phép tạo ra kim cương đơn tinh thể như vậy, tương tự như kim cương tự nhiên
Năm 2003, Công ty Element Six của Anh đã lần đầu tiên sản xuất được những tấm kim cương vuông với kích thước đường chéo tới 5 mm. Theo Công ty này, trong tương lai họ có khả năng sản xuất được những tấm kim cương với kích thước đường chéo trên 4 inch (khoảng 100 mm).
(Những tấm kim cương đơn tinh thể của công ty Element Six sản xuất sử dụng trong ngành cơ khí và nghiên cứu)
Nhờ tính dẫn nhiệt cao và tính lưu động điện tử cao, kim cương bán dẫn đơn tinh thể sẽ là vật liệu thích hợp cho các dụng cụ điện tử công suất cao. Nhiều công ty đã tích cực nghiên cứu tìm cách chế tạo các loại kim cương bán dẫn loại p và loại n. Những vật liệu này có triển vọng ứng dụng đầy hứa hẹn: Ngày nay các mạch vi xử lý phải chạy với nhiệt độ ngày càng cao hơn, do số transitor lắp trên chúng ngày càng nhiều. Nếu xu hướng này tiếp tục diễn ra, vật liệu silic sẽ không thể đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu nhiệt. Khi đó kim cương sẽ là vật liệu thay thế hoàn hảo.
Do giá thành cao nên kim cương nhân tạo không thể thay thế hoàn toàn silic trong nhiều ứng dụng. Nhưng trong một số ứng dụng đặc biệt với những yêu cầu rất cao, ví dụ các dụng cụ hoạt động với công suất cao hoặc ở nhiệt độ cao, thì kim cương nhân tạo sẽ là vật liệu không thể thiếu.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét