Важный шаг в получении и использовании алмазных материалов был сделан с развитием технологии роста алмазных материалов из газовой фазы, не требующей высокого давления. В данной публикации – о разработке опытно-промышленной установки для газофазного синтеза алмазоподобных углеродных материалов.

Описание технологии:

В последние годы во многих высокотехнологичных отраслях наблюдается устойчивый рост интереса к применению алмазных и алмазоподобных углеродных материалов, что связано с набором выдающихся свойств, которыми обладает алмаз. Алмаз имеет самую высокую плотность упаковки атомов в единице объема из всех известных материалов и, как следствие, самую высокую твердость и модуль Юнга. Теплопроводность алмаза выше теплопроводности меди в 4-5 раз и существенно превосходит теплопроводность всех известных материалов. Алмаз очень хороший изолятор (пробивное напряжение ~ 10^7 В/см), имеет высокую прозрачность в широком диапазоне длин волн, высокую радиационную стойкость, химическую инертность и устойчивость к абразивному износу. Сочетание этих и целого ряда других уникальных свойств делает возможным эффективное применение алмазных материалов во многих отраслях от обработки материалов до детектирования частиц в ядерной физике и энергетике.

Важный шаг в получении и использовании алмазных материалов был сделан с развитием технологии роста алмазных материалов из газовой фазы, не требующей высокого давления. В этом процессе, получившем в литературе название Chemical Vapour Deposition (CVD), атомы углерода, образующиеся в объеме плазмы при диссоциации молекул углеводородов, чаще всего метана СН4, при определенных условия конденсируются на поверхности подложки в кристаллическую решетку алмаза. Среда с высоким содержанием химически активных радикалов и ионов создается с помощью возбуждения в газовой смеси какого-либо типа разряда – тлеющего, микроволнового, дугового или других. Важную роль в этом методе играет также взаимодействие создаваемой газоразрядной плазмы с поверхностью, на которой происходит осаждение материала.

Из всего разнообразия видов газового разряда наибольшее распространение в технологии CVD-синтеза нашли дуговой разряд в потоке протекающего между электродами газа, микроволновый разряд, и сильноточный тлеющий разряд. Применение каждого из них имеет свои преимущества и недостатки. Мощный дуговой разряд в потоке газа обеспечивает наибольшие известные на сегодня скорости осаждения материала, которые могут составлять до сотен мкм/час. Недостатком его являются высокий расход рабочего газа, нестабильность горения дуги и загрязнения, вызываемые эрозией катода. Микроволновый разряд, возбуждаемый с помощью широко доступных генераторов на частоте 2.45 ГГц, обеспечивает наиболее высокую чистоту синтезируемого материала из-за отсутствия электродов. Недостатком его является относительно низкая скорость осаждения материала, которая обычно составляет единицы мкм/час.

Сильноточный тлеющий разряд обеспечивает достаточно высокие скорости осаждения, лежащие в диапазоне десятков мкм/час, чистота получаемого материала оказывается достаточной для большинства применений. Недостатком его является возможное возникновение нестабильностей разряда при превышении током разряда критических значений. Нестабильности разряда зачастую проявляются в “шнуровании” и могут вызывать локальные повреждения осаждаемого материала. Тем не менее, с учетом относительной простоты систем CVD-синтеза на основе тлеющего разряда в сравнении с дуговым и микроволновым и относительно высокой скорости осаждения материала, такие системы представляются перспективными с точки зрения создания промышленных установок газофазного синтеза алмаза.

В ходе планируемой работы предполагается провести исследование системы CVD-синтеза на основе сильноточного тлеющего разряда, возбуждаемого в смеси водорода и углеродсодержащего газа (СН4). В частности, предполагается провести исследования, направленные на повышение предельного тока тлеющего разряда и на изучение зависимости скорости осаждения сверхтвердых углеродных материалов от параметров газового разряда и состава газовой смеси. Увеличение полного тока разряда является важной проблемой, поскольку это позволяет увеличивать площадь рабочей поверхности подложки и в итоге увеличивать поперечные размеры выращиваемых образцов. Исследования методики CVD-синтеза предполагается производить на основе газоразрядной системы с сильноточным тлеющим разрядом, разработанной в Институте Ядерных Исследований РАН. Создание работоспособной газоразрядной системы потребовало экспериментального определения параметров разряда, таких как ток разряда, плотность тока и геометрия электродов, при которых выполняются и длительное время поддерживаются условия для CVD-синтеза. Такая работа была проведена на предварительном этапе и в ее результате была разработана газоразрядная ячейка CVD-синтеза и адекватная схема электропитания разряда, обеспечивающие длительную (десятки часов) устойчивую работу диффузного тлеющего разряда, его надежный поджиг и восстановление в случае спонтанных переходов в дуговой режим. Предполагается, что дальнейшие исследования будут проводиться в направлении повышения стабильности работы сильноточного тлеющего разряда в режимах CVD-синтеза, а так же по внедрению методики CVD-синтеза в промышленное производство алмазоподобных углеродных материалов и изделий на их основе.

Описание рынка:

Рынок для описываемой технологии определяется спектром приложений алмазоподобных конденсатов, начиная с покрытий режущего, сверлильного и обрабатывающего инструмента с целью увеличения его твердости и износостойкости и кончая электронными устройствами на базе алмазных пленок: детекторами и дозиметрами ионизирующего излучения заряженных частиц, а также нейтронов. Кроме того, алмазные подложки эффективно используются в качестве изоляторов и теплоотводов для охлаждения мощных электронных приборов: диодов, тразисторов, стабилитронов и т.п.

Описание организации выполнения проекта и вывода технологии на рынок:

Институт ядерных исследований РАН располагает солидной экспериментальной базой для проведения необходимых исследований в рамках предлагаемого проекта. В институте имеется коллектив высококвалифицированных специалистов, способных решать сложные и нестандартные задачи. Специалисты института в совершенстве владеют ядерно-физическими методами детектирования нейтронов, а также заряженных частиц и гамма-квантов. На основе большого опыта, полученного за предыдущие 20 лет в ходе разработки разнообразных плазменных источников положительных и отрицательных ионов для ускорителей заряженных частиц [6], в Институте Ядерных Исследований РАН ведется работа по созданию газоразрядного прибора для получения режима и условий CVD-синтеза алмазоподобных углеродных материалов на основе сильноточного тлеющего разряда [7] . В этой работе используются результаты разработок вакуумных систем, систем электропитания и диагностики плазменных источников ионов для ускорителей.

Главные препятствия реализации проекта:

Главным препятствием реализации проекта является отсутствие финансирования.

www.inno-expert.ru