5-palcový samonosný diamantový plátek! Tvrdost dosahuje 208,3 GPa

5-palcový samonosný diamantový plátek! Tvrdost dosahuje 208,3 GPa

Diamant jako nejtvrdší materiál v přírodě má důležité aplikace v ultra{0}}přesném obrábění, polovodičích a letectví. Tradiční vysoko{2}}teplotní a vysokotlaké{3}}metody syntézy diamantů trpí omezeními ve velikosti, přítomností pojiv a obtížemi při dosahování tvrdosti přesahující tvrdost přírodních diamantů. Zatímco nedávný pokrok v navrhování nanostruktur (jako je nanotwinning) výrazně zlepšil tvrdost, velikosti vzorků jsou obvykle pouze v milimetrovém rozsahu a podmínky syntézy jsou extrémní, takže je obtížné dosáhnout ve velkém měřítku{5}}výroby palcových-velkých, ultratvrdých diamantů-bez pojiva-. Ačkoli technologie chemického nanášení z plynné fáze (CVD) má potenciál produkovat diamanty velkých{10}}rozměrů, její tvrdost bylo dlouho obtížné překročit 200 GPa. Vývoj nové metody pro řízenou přípravu velkých-velkých, ultra{14}}tvrdých diamantů se proto v této oblasti stal naléhavou potřebou.

 

Výzkumný tým vedený Li Chengmingem a Liu Jinlongem z University of Science and Technology v Pekingu a Lu Yangem z University of Hong Kong publikoval v časopise Nature Communications výzkumnou práci nazvanou „Inch-ultratvrdý diamantový plátek s tvrdostí 200 GPa prostřednictvím vysokofrekvenčního pulzního lokálního nerovnovážného růstu“.

 

Prostřednictvím vlastního-systému mikrovlnné plazmové chemické depozice z par zavedl výzkumný tým strategii vysokofrekvenčního cyklického pulsního dopování dusíkem k dosažení místní nerovnovážné kontroly během procesu růstu diamantu a úspěšně připravil samonosnou ultra-tvrdou diamantovou destičku o průměru 5 palců a tloušťce přibližně 3 milimetry. Tvrdost plátku podle Vickerse dosáhla 208,3 GPa, což je srovnatelné s dříve uváděnými diamanty získanými nanotickou výhrou, a jeho odolnost proti opotřebení byla přibližně 7krát vyšší než u tradičních polykrystalických diamantů. Transmisní elektronová mikroskopie s vysokým -rozlišením a další charakterizační techniky odhalily vytvoření vysokohustotní trojrozměrné sítě propletených stohovacích zlomů (hustota dosahující 4,3 × 10¹² cm⁻²) v waferu a objasnily mikroskopický mechanismus, kterým dopování dusíku snižuje tvrdost tvorby chyb, čímž se zvyšuje tvrdost poruchy. Tato práce poskytuje nový přístup k-přípravě palcových-ultratvrdých diamantů{19}}ve velkém měřítku a jejich aplikacím ve špičkových{20}}oblastech zpracování.

 

Tento výzkum úspěšně vyrobil ultra-tvrdý diamantový plátek o průměru 5 palců a tvrdosti 208,3 GPa. Pomocí vlastní -navržené vysoko-frekvenční pulzní mikrovlnné plazmové chemické depozice z par a využívající vodík, metan, dusík a malé množství kyslíku jako zdrojové plyny byl 5-palcový polykrystalický diamantový substrát o tloušťce přibližně 2,8 mm nejprve vypěstován na grafitovém substrátu. Následně pomocí procesu vysokofrekvenčního pulzního dopování dusíkem byla v každém cyklu přesně řízena doba průtoku plynného dusíku (minimálně 6 sekund). Použitím atomů dusíku k narušení prostředí plazmatu byly vytvořeny lokalizované nerovnovážné podmínky růstu. To vedlo k vytvoření ultra-vysoko{16}}hustotní trojrozměrné-sítě propletených poruch v diamantu, která dosáhla vynikajícího výkonu s dvojnásobnou tvrdostí a sedminásobným zvýšením odolnosti proti opotřebení.