เวเฟอร์เพชรรองรับตัวเองขนาด 5- นิ้ว! ความแข็งถึง 208.3 GPa

เวเฟอร์เพชรรองรับตัวเองขนาด 5- นิ้ว! ความแข็งถึง 208.3 GPa

เพชรเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในธรรมชาติ และมีการใช้งานที่สำคัญใน-การตัดเฉือนที่มีความแม่นยำสูงพิเศษ เซมิคอนดักเตอร์ และการบินและอวกาศ วิธีการสังเคราะห์เพชรแบบ-อุณหภูมิสูงและแรงดันสูง-แบบดั้งเดิมต้องทนทุกข์ทรมานจากข้อจำกัดด้านขนาด การมีอยู่ของสารยึดเกาะ และความยากลำบากในการบรรลุความแข็งเกินกว่าเพชรธรรมชาติ แม้ว่าความก้าวหน้าล่าสุดในการออกแบบโครงสร้างนาโน (เช่น นาโนทวินิง) มีการปรับปรุงความแข็งอย่างมีนัยสำคัญ ขนาดตัวอย่างโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงมิลลิเมตรเท่านั้น และเงื่อนไขการสังเคราะห์นั้นรุนแรงมาก ทำให้ยากต่อการผลิต-การผลิตขนาดใหญ่ที่มีขนาด-นิ้ว ไม่มีสารยึดเกาะ- เพชรแข็งพิเศษ- แม้ว่าเทคโนโลยีการสะสมไอสารเคมี (CVD) มีศักยภาพในการผลิตเพชรขนาดใหญ่- แต่ความแข็งของเพชรนั้นเกินกว่า 200 GPa มานานแล้ว ดังนั้น การพัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการเตรียมการควบคุมเพชรขนาดใหญ่-ขนาดแข็งพิเศษ- จึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นเร่งด่วนในด้านนี้

 

ทีมวิจัยที่นำโดย Li Chengming และ Liu Jinlong จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Beijing และ Lu Yang จากมหาวิทยาลัยฮ่องกงได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยชื่อ "เวเฟอร์เพชรแข็งพิเศษขนาด-ขนาดนิ้วที่มีความแข็ง 200 GPa ผ่านความถี่สูง-การเติบโตแบบไม่-สมดุลเฉพาะจุดที่เป็นพัลส์ความถี่สูง" ในวารสาร Nature Communications

 

ทีมวิจัยได้แนะนำกลยุทธ์การเติมไนโตรเจนแบบพัลส์แบบวงจรความถี่สูง-ที่พัฒนาขึ้นเองเพื่อให้บรรลุการควบคุมที่ไม่-สมดุลเฉพาะจุดในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของเพชร โดยประสบความสำเร็จในการเตรียมเวเฟอร์เพชรแข็งพิเศษ-ที่รองรับตัวเองด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 นิ้วและความหนาประมาณ 3 มิลลิเมตร ความแข็ง Vickers ของเวเฟอร์สูงถึง 208.3 GPa ซึ่งเทียบได้กับความแข็งของเพชรนาโนแฝดที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ และความต้านทานการสึกหรอของมันอยู่ที่ประมาณ 7 เท่าของเพชรโพลีคริสตัลไลน์แบบดั้งเดิม กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง-และเทคนิคการระบุลักษณะเฉพาะอื่นๆ เผยให้เห็นการก่อตัวของโครงข่ายรอยเลื่อนการเรียงซ้อนแบบสามมิติที่มีความหนาแน่นสูง- (ความหนาแน่นสูงถึง 4.3 × 10¹² ซม.⁻²) ภายในแผ่นเวเฟอร์ และได้อธิบายกลไกด้วยกล้องจุลทรรศน์ซึ่งการเติมไนโตรเจนจะช่วยลดพลังงานการก่อตัวของรอยเลื่อนในการซ้อน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความแข็ง งานนี้นำเสนอแนวทางใหม่สำหรับ-การเตรียมเพชรแข็ง-ขนาดพิเศษ-ขนาดนิ้วขนาดใหญ่ และการใช้งานในด้านการประมวลผล-ระดับไฮเอนด์

 

งานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการผลิตแผ่นเวเฟอร์เพชรแข็งพิเศษ-ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 นิ้วและความแข็ง 208.3 GPa ด้วยการใช้เทคนิคการสะสมไอสารเคมีในพลาสมาด้วยคลื่นไมโครเวฟความถี่สูง-ที่ออกแบบเอง และใช้ไฮโดรเจน มีเทน ไนโตรเจน และออกซิเจนปริมาณเล็กน้อยเป็นก๊าซต้นทาง ซับสเตรตเพชรโพลีคริสตัลไลน์ขนาด 5- นิ้วที่มีความหนาประมาณ 2.8 มม. จึงถูกปลูกครั้งแรกบนพื้นผิวกราไฟต์ ต่อมา ด้วยกระบวนการเติมไนโตรเจนแบบพัลส์ความถี่สูง- ทำให้เวลาการไหลของก๊าซไนโตรเจนได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำในแต่ละรอบ (ขั้นต่ำ 6 วินาที) การใช้อะตอมไนโตรเจนเพื่อรบกวนสภาพแวดล้อมของพลาสมา ทำให้เกิดสภาวะการเจริญเติบโตที่ไม่{14}}ไม่สมดุลเฉพาะที่ ซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของโครงข่ายรอยเลื่อนซ้อนซ้อนแบบสามมิติ-สูง-ที่มีความหนาแน่นเป็นพิเศษ-ภายในเพชร ทำให้ได้รับประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมด้วยความแข็งเพิ่มขึ้นสองเท่าและความต้านทานการสึกหรอเพิ่มขึ้นเจ็ดเท่า