Розділ 2 Технології осадження алмазоподібних матеріалів на основі карбону Загальна інформація
Унікальні фізико-хімічні властивості алмазу стимулюють дослідників до пошуку нових можливостей його використання. Особливу увагу привертають алмазоподібні плівки (АПП), які мають дуже високу твердість (до 100 ГПа), низьке зношування, малий коефіцієнт тертя, високі питомий опір, коефіцієнт теплопровідності, хімічну інертність і корозійну стійкість, велику прозорість в ІЧ-діапазоні тощо.
Уперше АПП були одержані С. Айзенбергом та ін. (США) при осадженні вуглецю із пучка іонів. Плівки складалися з атомів С із алмазною гібридизацією валентних електронів (sp3-гібридізація), але розміри областей кристалографічного упорядкування мали величину порядку 10 нм (тому вони одержали назву а-С плівок, де а-аморфна фаза).
АПП, які одержуються методами хімічного осадження із газоподібних вуглеводнів, активованих різними видами плазми (радіочастотна, мікрохвильова), містять значну кількість водню і складаються із декількох фаз (дрібнодисперсної алмазної, графітної, полімерної), але за рядом властивостей близькі до алмазу (їх називають алмазоподібними гідрогенізованими плівками (АПГП) і позначають а-С:Н).
У загальному випадку в АПГП може реалізуватися в різному співвідношенні sp3-, sp2- та sp-гібридизація, що відповідає алмазному, графітовому або карбіновому зв’язку. Варто зазначити, що відношення Н/С не може бути критерієм віднесення плівок до типу АПП чи АПГП, оскільки поряд із величиною Н/С необхідно враховувати співвідношення типу зв’язків sp3:sp2:sp. Якщо sp3-гібридізація дає малий внесок, то одержані плівки можуть бути графітними або карбіновими.
Велика зацікавленість проявляється також до гранульованих АПП, які складаються із окремих мікрокристалів (повна аналогія між суцільними та острівцевими металевими плівками зі своїми методами одержання і комплексом властивостей).
Ультрадисперсні алмази (УДА) – це композиційні матеріали нового покоління із особливими трибологічними й оптичними властивостями, матеріали для монохроматорів рентгенівських променів та ін. Однією із проблем є питання управління функцією розподілу УДА за розмірами. При зменшенні температури підкладки (Тп) збільшується пересичення пари і, як результат цього, - зменшення розмірів УДА. Існує оптимальна температура, при якій ростуть кристали алмазу.
Термодинамічні характеристики нанорозмірних частинок, їх магнітні та електричні властивості значно відрізняються від властивостей частинок мікронного розміру. Наприклад, температура плавлення зменшується на 40 К (Pb) або 400 К (Cu, Ag); знижується також температура Дебая, змінюються теплоємність, параметри і навіть тип кристалічної решітки. Температура спікання нанопорошків зменшується на 400-600 К, значно збільшується пластичність нанокристалічних керамік.
Поряд із монокристалічними алмазними плівками (АП), отриманими при низькому тиску із газової фази, становлять інтерес для електроніки і полікристалічні алмазні плівки (ПАП).
Тонкі шари алмазних та алмазоподібних речовин на різних підкладках, як правило, використовуються в мікроелектроніці як напівпровідники (н/п) і ізолятори завдяки їх специфічним електричним, хімічним і фізичним властивостям.
Алмаз – безбарвна прозора речовина, здатна сильно заломлювати світлові промені. Його густина вища, ніж у графіті, і дорівнює 3,51?103 кг/м3. Алмаз у 10 разів твердіший за графіт. Він не проводить електричного струму, кристалізується в основному в кубічну сингонію. Кристалічні решітки алмазу характеризуються симетричним розміщенням атомів карбону у просторі; кожний атом унаслідок sp3-гібридизації утворює 4 ковалентнихs-зв’язки із сусідніми атомами. Відстань між сусідніми атомами у всіх напрямках однакова (0,154 нм).
Відомі кристали алмазу кубічної та гексагональної сингонії. Алмаз гексагональної сингонії у природі спостерігається надзвичайно рідко. Кристали кубічної сингонії мають форму октаедрів. Огранені та відшліфовані прозорі алмази називаються діамантами. Завдяки високій твердості алмаз застосовують для різання, обробки та шліфування твердих матеріалів. Алмаз дуже стійкий проти дії хімічних реагентів.
Для одержання монофазного полікристалічного алмазу з нанодисперсною структурою можна використовувати три різновиди вихідних порошків матеріалу:
алмаз, синтезований в ударних хвилях, з кубічною або із суміші кубічної і гексагональної фаз;
алмаз каталітичний, отриманий після обробки в ударних хвилях;
алмаз, отриманий в умовах детонації.
Зараз існують високопродуктивні технології одержання алмазу останнього різновиду.