رقاقة ماسية ذاتية الدعم مقاس 5-بوصة! تصل الصلابة إلى 208.3 جيجا باسكال

رقاقة ماسية ذاتية الدعم مقاس 5-بوصة! تصل الصلابة إلى 208.3 جيجا باسكال

الماس، باعتباره أصلب مادة في الطبيعة، له تطبيقات مهمة في الآلات فائقة الدقة وأشباه الموصلات والفضاء. تعاني الطرق التقليدية -درجة الحرارة والضغط العالي-لتصنيع الماس من القيود في الحجم، ووجود مواد رابطة، وصعوبة تحقيق صلابة تتجاوز صلابة الماس الطبيعي. على الرغم من أن التطورات الحديثة في تصميم البنية النانوية (مثل التوأمة النانوية) قد أدت إلى تحسين الصلابة بشكل كبير، فإن أحجام العينات عادةً ما تكون في نطاق المليمتر فقط، وتكون ظروف التركيب شديدة، مما يجعل من الصعب تحقيق إنتاج -كبير الحجم للماس-بحجم البوصة، وخالي من المواد الرابطة-، وفائق الصلابة-. على الرغم من أن تقنية الترسيب بالبخار الكيميائي (CVD) تتمتع بالقدرة على إنتاج ألماس كبير الحجم{10}، إلا أنه كان من الصعب منذ فترة طويلة أن تتجاوز صلابته 200 جيجا باسكال. لذلك، أصبح تطوير طريقة جديدة للتحضير الخاضع للرقابة للماس-الكبير الحجم وفائق الصلابة-حاجة ملحة في هذا المجال.

 

نشر فريق بحث بقيادة لي تشنغ مينغ وليو جين لونغ من جامعة العلوم والتكنولوجيا في بكين ولو يانغ من جامعة هونغ كونغ ورقة بحثية بعنوان "رقاقة ألماس فائقة الصلابة بحجم بوصة مع صلابة 200 جيجا باسكال عبر نمو-نبض محلي غير متوازن عالي التردد" في مجلة Nature Communications.

 

من خلال -نظام ترسيب البخار الكيميائي لبلازما الميكروويف الذي تم تطويره ذاتيًا، قدم فريق البحث استراتيجية-دورية نبضية نيتروجينية عالية التردد لتحقيق التحكم في عدم التوازن المحلي- أثناء عملية نمو الماس، وتم بنجاح إعداد رقاقة ألماس صلبة-ذاتية الدعم للغاية- يبلغ قطرها 5 بوصات وسمكها حوالي 3 ملم. وصلت صلابة فيكرز للرقاقة إلى 208.3 جيجا باسكال، مقارنة بصلابة الماس ثنائي النانو الذي تم الإبلاغ عنه مسبقًا، وكانت مقاومة التآكل حوالي 7 أضعاف مقاومة الماس متعدد البلورات التقليدي. كشف المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة وتقنيات التوصيف الأخرى عن تكوين شبكة صدع متشابكة عالية الكثافة -ثلاثية الأبعاد (تصل الكثافة إلى 4.3 × 10¹² سم⁻²) داخل الرقاقة، ووضحت الآلية المجهرية التي من خلالها يؤدي تطعيم النيتروجين إلى تقليل طاقة تكوين صدع التراص، وبالتالي تعزيز الصلابة. يوفر هذا العمل أسلوبًا جديدًا للتحضير على نطاق واسع للألماس-الصلب للغاية-البوصة وتطبيقاته في مجالات المعالجة-المتطورة.

 

نجح هذا البحث في إنتاج رقاقة ألماس فائقة الصلابة- يبلغ قطرها 5 بوصات وصلابتها 208.3 جيجا باسكال. باستخدام -تقنية ترسيب البخار الكيميائي للبلازما النبضية ذات التردد العالي ذاتي -والمصممة ذاتيًا، واستخدام الهيدروجين والميثان والنيتروجين وكمية صغيرة من الأكسجين كغازات مصدر، تمت زراعة ركيزة من الألماس متعدد البلورات مقاس 5-بوصة بسمك 2.8 مم تقريبًا على ركيزة من الجرافيت. وبعد ذلك، ومن خلال -عملية تطعيم النيتروجين النبضي عالية التردد، تم التحكم بدقة في وقت تدفق غاز النيتروجين في كل دورة (6 ثوانٍ على الأقل). باستخدام ذرات النيتروجين لإزعاج بيئة البلازما، تم إنشاء ظروف نمو موضعية غير متوازنة. أدى ذلك إلى تكوين شبكة صدوع متشابكة-عالية جدًا-ثلاثية الأبعاد-داخل الماس، مما أدى إلى تحقيق أداء ممتاز مع صلابة مضاعفة وزيادة بمقدار سبعة أضعاف في مقاومة التآكل.