5- インチの自立型ダイヤモンド ウェーハ!硬度は208.3GPaに達します

5- インチの自立型ダイヤモンド ウェーハ!硬度は208.3GPaに達します

ダイヤモンドは自然界で最も硬い材料であり、超精密加工、半導体、航空宇宙において重要な用途があります。{0}ダイヤモンド合成のための従来の高温高圧-方法では、サイズの制限、結合剤の存在、天然ダイヤモンドを超える硬度を達成することが困難であるという問題がありました。ナノ構造設計（ナノ双晶化など）の最近の進歩により、硬度は大幅に向上しましたが、通常、サンプル サイズはミリメートル範囲にすぎず、合成条件は極端であるため、インチサイズ、バインダーフリー、超硬質ダイヤモンドの大規模生産を達成することは困難です。{{5}{6}{6}化学蒸着 (CVD) 技術には大きなサイズのダイヤモンドを製造できる可能性がありますが、その硬度が 200 GPa を超えることは長い間困難でした。{10}したがって、この分野では、大型で超硬のダイヤモンドを制御して製造するための新しい方法の開発が緊急の必要性となっています。-

 

北京科技大学の Li Chengming 氏と Liu Jinlong 氏、香港大学の Lu Yang 氏が率いる研究チームは、「高周波パルス局所非平衡成長によるインチ-硬度 200 GPa の超硬ダイヤモンドウェーハ」と題する研究論文を Nature Communications 誌に発表しました。{{2}

 

研究チームは、自社開発したマイクロ波プラズマ化学蒸着システムを通じて、高周波周期パルス窒素ドーピング戦略を導入し、ダイヤモンド成長プロセス中に局所的な非平衡制御を実現しました。これにより、直径 5 インチ、厚さ約 3 ミリメートルの自己支持型超硬ダイヤモンド ウェーハを準備することに成功しました。{{3}このウェーハのビッカース硬度は 208.3 GPa に達し、以前に報告されているナノ双晶ダイヤモンドの硬度に匹敵し、その耐摩耗性は従来の多結晶ダイヤモンドの約 7 倍でした。高解像度透過型電子顕微鏡やその他の特性評価技術により、ウェーハ内に高密度の三次元織り交ぜられた積層欠陥ネットワーク（密度は 4.3 × 1012 cm-2 に達する）が形成されていることが明らかになり、窒素ドーピングによって積層欠陥形成エネルギーが低下し、それによって硬度が向上する微視的なメカニズムが解明されました。この研究は、-インチサイズの超硬-ダイヤモンドの大規模な製造と、ハイエンド加工分野でのその応用のための新しいアプローチを提供します。-

 

この研究では、直径 5 インチ、硬度 208.3 GPa の超硬質ダイヤモンド ウェーハの製造に成功しました。{0}自社設計の高周波パルスマイクロ波プラズマ化学蒸着技術を使用し、水素、メタン、窒素、および少量の酸素をソースガスとして使用し、厚さ約 2.8 mm の 5- インチの多結晶ダイヤモンド基板を最初にグラファイト基板上に成長させました。続いて、高周波パルス窒素ドーピングプロセスにより、窒素ガスのフロー時間を各サイクルで正確に制御しました（最短6秒）。窒素原子を使用してプラズマ環境を乱すことにより、局所的な非平衡成長条件が生み出されました。-これにより、ダイヤモンド内に超-高密度-三次元織り交ぜた積層欠陥ネットワークが形成され、硬度が 2 倍、耐摩耗性が 7 倍向上する優れた性能が達成されました。