آشنایی کلی با الماسهای مصنوعی و تولید آن به روش CVD

خلاصه مقاله:
پس از اینکه در قرن هیجدهم میلادی دانشمندان پی بردند که ساختار شیمیایی الماس همان کربن است، بیشتر از 150سال طول کشید تا موفق به ساخت نوع مصنوعی آن شدند.
تا کنون دو روش اصلی وچند روش فرعی  برای ساخت الماس مصنوعی اختراع شده است .
روش HPHT  که در فشار و درجه حرارت بالا انجام می گیرد و شرایط فرایند تقریبا مشابه شرایط تشکیل الماس طبیعی در اعماق زمین است.
روش CVD که به صورت رسوب گذاری الماس در فاز بخار انجام می شود و روش جدید تری است.
مقدمه:
در سال 1796دانشمندان موفق شدند ساختار شیمیایی الماس را کشف کرده و پس از آن به شرایط تشکیل آن در دل زمین پی بردند. تلاشهای زیادی صورت گرفت تا اینکه پس سالیان دراز ساخت الماس مصنوعی محقق شد.
روشی که طی آن الماس مصنوعی بدست آمد الهام گرفته از طبیعت و با استفاده از فشار و درجه حرارت بالاست ، که اصطلاحاً به آنHPHT گفته می شود .
نزدیک به سه دهه است که از روش دیگری به نام رسوب گذاری شیمیایی الماس در فاز بخار CVD برای تولید الماس مصنوعی استفاده می شود.
محصولاتی که از هر کدام از این روشها بدست می آید ویژگیهای متفاوت و کاربردهای مخصوص خودشان را دارند.
برای درک بهتر سیر مراحل تحقیقاتی و تولید الماس با روش CVDچندین مقاله و همچنین مطالب منتشره کارخانه ها و شرکت های سازنده اینگونه الماسها مطالعه گردید و مقاله حاضر نتیجه بررسی و جمع بندی این مطالب می باشد.
سالیان درازی است که الماس در قلب و فکر دانشمندان و عامه مردم جای گرفته است . برای برخی افراد واژه الماس یک تصویر جادویی از سنگ جواهر است که درخشندگی ، توانگری و موقعیت به همراه دارد و به دلیل ویژگیهای فراوان و منحصر به فردش آن را برای دانشمندان پر ابهت و برانگیزاننده احساسات معرفی می نماید.
بزرگترین و بهترین سختی بین مواد مربوط به الماس است ، پایین ترین ضریب انبساط حرارتی ، خنثی بودن در برابر مواد شیمیایی ، مقاوم در برابر سایش ، هدایت حرارتی بالا و ........ از جمله این ویژگیهاست.
تعجبی ندارد که با داشتن این ویژگیها ، کاربرد های بسیار زیاد ، متفاوت و حتی متضادی از الماس وجود دارد .
ضمن اینکه کاربرد عام آن مصرف جواهر است ولی به عنوان پوششهای مقاوم به سایش در ابزارهای برشی و سایشی ، سمباده ، الکترودهای شیمیایی ، تجهیزات الکترونیکی و نوری استفاده می شود.
با توجه به عدم یکنواختی هر کدام از این ویژگیها در الماسهای طبیعی ، کمیابی و گران بودن آنها ، دانشمندان را بر آن داشت تا نسبت به تحقیق و تولید الماسهای مصنوعی اقدام کنند.
در سال 1796 دانشمندان پی بردند که الماس از کربن ساخته شده است. بیشتر از 150 سال طول کشید تا روش ساخت الماس مصنوعی اختراع شد ولی اطلاعات آن منتشر نشد تا اینکه در سال 1950 و تقریبا همزمان شرکت جنرال الکتریک امریکا و شرکت سویدی ASEA موفق به تولید الماس مصنوعی با استفاده از روش HPHT شدند.
گرچه بیشتر الماسهایی که با این روش تولید می شوند زرد رنگ بودند ولی در سالهای اخیر پیشرفت قابل ملاحظه ای انجام شده و الماسهای بیرنگ ، آبی ، سبز ، نارنجی و صورتی تولید شده است .
تولید الماس با روش CVD
به دلیل نیاز روز افزون بشر به الماس و پیشرفت فناوری ، روشی جدید برای تولید الماس مصنوعی اختراع شد . در این روش پوششی از الماس بر سطح هسته )زیر لایه( رسوب می کند .
در سال 1980 انستیتو ملی تحقیق مواد معدنی ژاپن گزارش کرد که با استفاده از روش رسوب گذاری موفق شدند لایه بسیار نازکی از الماس با سرعت بیشتر از یک میکرون در ساعت بر سطح هسته ای رشد دهند .
اواخر همین سال شرکت De Beerکه بیش از 80% تجارت الماس جهان را در اختیار دارد ، موفق به تولید الماس مصنوعی با همین روش شد.
در این فرایند از تکنیک ها و مواد اولیه متفاوتی استفاده می شود ولی ماده اولیه رایج متان است که به عنوان منبع تامین کربن و هیدروژن به عنوان فعال کننده گازی بکار می رود. برای تامین انرژی از المنت های حرارتی ، شعله ، پرتو میکروویو و....... استفاده می شود .
برای انجام واکنش ابتدا مخلوط گازی از متان و هیدروژن به نسبت 1-2% متان و 98-99% هیدروژن به صورت مداوم وارد راکتور می شود . دمای راکتور در 1270-1670 درجه سانتیگراد کنترل می شود . نتیجه واکنش تشکیل آرام و پیوسته لایه ای نازک از الماس بر سطح هسته است .
سرعت رشد رسوب گذاری الماس بر این سطح متفاوت بوده و به نوع انرژی حرارتی بستگی دارد . هر قدر سرعت رسوب گذاری بیشتر شود از کیفیت محصول نهایی کاسته می شود ، بنابراین فرایند رشد طوری کنترل می شود که هم سرعت رشد مناسب و هم کیفیت بهینه باشد ، که در این صورت از نظر اقتصادی ، تولید مقرون به صرفه خواهد بود.
مشخص شده است که با استفاده از المنت حرارتی سرعت رشد 0.1-10 میکرومتر )هر میلیمتر 1000میکرومتر است( بر ساعت خواهد بود و اگر از شعله به عنوان منبع تامین انرژی استفاده کنند سرعت رشد تا 100 میکرومتر بر ساعت خواهد رسید ، ولی کیفیت خوبی بدست نخواهد آمد .
برای رفع این مشکل و ایجاد تعادل بین سرعت رشد و کیفیت ، تحقیقات زیادی صورت گرفت تا اینکه پی بردند که پرتو میکروویو ضمن اینکه انرژی لازم را تامین می کند فرایند رسوب گذاری را یکنواخت و سرعت آن را افزایش خواهد داد .
با توجه به اینکه گرافیت نیز همان کربن است و از لحاظ ترمودینامیکی شکل پایدار آن است ، بنابراین همزمان با تشکیل الماس این ماده نیز ساخته می شود ولی وجود آن در الماس ناخالصی تلقی می شود .
هیدروژن دو نقش تعیین کننده در فرایند ایفا می کند .
1) فعال کننده گازی است و رادیکالهای فعال متیل را ایجاد می کند ، که می توانند در سطح هسته پراکنده شده و پیوندهای c-c را شکل داده و شبکه الماس را گسترش دهند .
2) از ایجاد سطوح گرافیتی جلوگیری می کند.
یکی از مشکلات این فرایند مکانیسم رشد غیر یکنواخت الماس بر سطح هسته است و دلیل آن متفاوت بودن جنس هسته و الماسی است که بر سطح آن می نشیند. پس از مطاله و آزمونهای فراوان به این نتیجه رسیدند که سوهان کاری مقدماتی سطح هسته قبل از قرار دادن آن در راکتور هم باعث رسوب گذاری یکنواخت و هم در بهبود سرعت رشد موثر است. سوهان کاری یا پولیش توسط پودر الماس به صورت مکانیکی و یا همزن اولتراسونیک انجام می شود.
بعضی مواقع برای انجام آن از بمباران یونی استفاده می شود .
ساختار سطح تولید شده در فرایند CVD شدیدا به نسبت گاز مخلوط و درجه حرارت هسته بستگی دارد . اگر غلظت نسبی گاز متان در مخلوط گاز و یا درجه حرارت زیاد شود ، کیفیت سطح الماس ایجاد شده منظم نخواهد بود .
با توجه به اینکه فرایند رشد در حرارت بالا انجام می شود ، بنابراین نقطه ذوب هسته باید بالاتر از این دما )دمای راکتور( باشد تا ذوب نگردد. معمولا از سیلیسیوم به عنوان هسته استفاده می شود ،ولی  عناصری مانند ،مولیبدن و تنگستن نیز بکار می روند .
نتیجه گیری
یری الماس ماده منحصر به فردی است با ویژگیهای زیاد که نمی توان آنها را از نظر دور داشت . رشد این ماده با روش CVD ما را قادر می سازد که کنترل های دقیقتر و بهتری داشته باشیم تا محصولاتی با کیفیت مناسب برای مصارف گوناگون بدست آوریم .
شبکه محکم آن باعث استفاده در ابزارهای سایشی و برشی شده ، از خاصیت انتقال صوت و مقاومت آن  در مقابل پرتوها ، در تجهیزات مربوط به آشکارسازها استفاده می شود .
خاصیت انتقال انرژی جنبشی و کوانتوم الماس ، به طور استثنایی این ماده را هادی حرارت نموده است .
استحکام آن برای ساخت دریچه در تجهیزات میکروویو مناسب است . شفافیتی که در محدوده وسیعی از طول موجهای دارد ، از نظر تکنیکی آن را جذاب و بینهایت مفید کرده است.

اپلیکیشن اندروید تلگرام اینستاگرام