5-palcový samonosný diamantový plátok! Tvrdosť dosahuje 208,3 GPa

5-palcový samonosný diamantový plátok! Tvrdosť dosahuje 208,3 GPa

Diamant ako najtvrdší materiál v prírode má dôležité využitie v ultra{0}}precíznom obrábaní, polovodičoch a letectve. Tradičné vysoko-teplotné a vysokotlakové{3}}metódy syntézy diamantov trpia obmedzeniami vo veľkosti, prítomnosti spojív a ťažkostí pri dosahovaní tvrdosti prevyšujúcej tvrdosť prírodných diamantov. Zatiaľ čo nedávne pokroky v dizajne nanoštruktúr (napríklad nanotwinning) výrazne zlepšili tvrdosť, veľkosti vzoriek sú zvyčajne len v milimetrovom rozsahu a podmienky syntézy sú extrémne, čo sťažuje dosiahnutie-výroby palcových-veľkých, ultratvrdých diamantov-bez spojiva-. Hoci technológia chemického nanášania z plynnej fázy (CVD) má potenciál na výrobu{10} veľkých diamantov, jej tvrdosť bolo dlho ťažké prekročiť 200 GPa. Preto sa v tejto oblasti stalo naliehavou potrebou vyvinúť novú metódu riadenej prípravy veľkých{13}}veľkých, ultra{14}}tvrdých diamantov.

 

Výskumný tím vedený Li Chengmingom a Liu Jinlongom z University of Science and Technology v Pekingu a Lu Yangom z University of Hong Kong publikoval v časopise Nature Communications výskumnú prácu s názvom „Inch-ultratvrdý diamantový plátok s tvrdosťou 200 GPa prostredníctvom vysokofrekvenčného pulzného lokálneho nerovnovážneho rastu“.

 

Prostredníctvom vlastného-vyvinutého systému mikrovlnnej plazmovej chemickej depozície z pár zaviedol výskumný tím stratégiu vysokofrekvenčného cyklického pulzného dopovania dusíkom na dosiahnutie lokálnej-rovnovážnej kontroly počas procesu rastu diamantu, pričom sa úspešne pripravila samonosná ultra-tvrdá diamantová doska s priemerom 5 palcov a hrúbkou približne 3 milimetre. Tvrdosť doštičky podľa Vickersa dosiahla 208,3 GPa, čo je porovnateľné s predtým uvádzanými diamantmi získanými nanotáciou, a jej odolnosť proti opotrebeniu bola približne 7-krát vyššia ako u tradičných polykryštalických diamantov. Transmisná elektrónová mikroskopia s vysokým{11}}rozlíšením a ďalšie charakterizačné techniky odhalili vytvorenie vysokohustotnej trojrozmernej siete prepletených stohovacích porúch (hustota dosahujúca 4,3 × 10¹² cm⁻²) vo vnútri plátku a objasnili mikroskopický mechanizmus, ktorým dopovanie dusíka znižuje tvrdosť tvorby porúch. Táto práca poskytuje nový prístup pre-veľkú prípravu palcových-ultratvrdých diamantov{19}}veľkých rozmerov a ich aplikácie v špičkových{20}}poliach spracovania.

 

Tento výskum úspešne vyrobil ultra{0}}tvrdý diamantový plátok s priemerom 5 palcov a tvrdosťou 208,3 GPa. Pomocou vlastnej -navrhnutej vysoko-frekvencie pulznej mikrovlnnej plazmovej chemickej depozície z pár a využitím vodíka, metánu, dusíka a malého množstva kyslíka ako zdrojových plynov bol 5--palcový polykryštalický diamantový substrát s hrúbkou približne 2,8 mm najprv pestovaný na grafitovom substráte. Následne pomocou procesu vysokofrekvenčného pulzného dopovania dusíkom bol čas prietoku plynného dusíka presne kontrolovaný v každom cykle (minimálne 6 sekúnd). Použitím atómov dusíka na rozrušenie prostredia plazmy sa vytvorili lokalizované nerovnovážne podmienky rastu. To viedlo k vytvoreniu ultra-vysoko{16}}trojrozmernej{17}}prepletenej siete stohovacích porúch v rámci diamantu, čím sa dosiahol vynikajúci výkon s dvojnásobnou tvrdosťou a sedemnásobným zvýšením odolnosti proti opotrebeniu.