Введение в алмазные пластины: Монокристаллические и поликристаллические

В настоящее время алмазные пластины широко используются в высокотехнологичных отраслях благодаря своей исключительной твердости и эксклюзивным свойствам для электронных, оптических и даже режущих и полирующих целей. В частности, алмазные пластины ценятся за их исключительную устойчивость к экстремальным условиям, таким как высокая температура и интенсивные механические нагрузки. Наиболее популярными типами алмазных пластин являются монокристаллические и поликристаллические; оба типа имеют некоторые отличительные особенности и преимущества в определенных областях применения.

Что такое алмазные пластины?

Алмазная пластина - это тонкий, плоский кусок синтетического алмазного материала, обычно полученный с помощью таких процессов, как CVD или HPHT. Эти пластины вырезаются по определенному размеру и в основном используются в качестве подложек в различных промышленных и научных приложениях. Твердость и теплопроводность алмаза делают его материалом, идеально подходящим для использования в тех областях, где обычные материалы могут не справиться.

Рис. 1 CVD-алмазная пластина

Монокристаллические алмазные пластины

Монокристаллическая алмазная пластина изготавливается из одного непрерывного кристалла алмаза. Другими словами, вся пластина производится из одной однородной структуры, в которой все атомы выстраиваются одинаковым образом. Эта однородность наделяет монокристаллические алмазы уникальными свойствами, в том числе:

- Высокая теплопроводность: Высокая теплопроводность делает монокристаллические алмазы идеальными для применения в мощной электронике или для простого отвода тепла.

- Высокая механическая прочность: Монокристаллические алмазы обладают исключительно высокой прочностью благодаря своей кристаллической структуре, что делает их очень эффективными в таких областях применения, как резка, шлифовка и сверление.

- Оптическая четкость: Эти пластины можно использовать в прецизионной оптике благодаря их способности пропускать свет с минимальными искажениями. Это дает большие преимущества в лазерных технологиях и специализированном оборудовании для формирования изображений.

Выращивание монокристаллических алмазов значительно более трудоемко и дорого, чем других форм, но конечный продукт находит очень большой спрос в таких критически важных приложениях, как производство полупроводников высокого класса, квантовые вычисления и даже аэрокосмическая промышленность.

Области применения монокристаллических алмазных пластин:

• Высокопроизводительная электроника: Используются в силовых устройствах, теплоотводах.
• Полупроводниковая промышленность: В качестве подложек для передовых полупроводниковых устройств.
• Оптика и лазеры: Лазерные окна и высокоточные линзы.
• Промышленная резка и сверление: инструменты, требующие экстремальных уровней износостойкости.

Пластины из поликристаллического алмаза

С другой стороны, поликристаллические алмазные пластины изготавливаются путем сбора кристаллов алмаза, которые сплавляются вместе. Эти кристаллы, хотя и являются алмазами, не выровнены в единую непрерывную структуру. В результате получается материал, который отличается по механическим и термическим свойствам от монокристаллического алмаза.

Рис. 2 Поликристаллический алмаз [1].

Ключевые особенности поликристаллических алмазных пластин включают:

- Низкая стоимость: Поликристаллические алмазы обычно дешевле своих монокристаллических аналогов благодаря более эффективному процессу роста. В конечном итоге это делает поликристаллические алмазные пластины экономичным выбором для многих приложений.

- Высокая абразивная прочность: Несмотря на то что поликристаллический алмаз не имеет монокристаллической структуры, он чрезвычайно прочен и поэтому находит широкое применение в резке, шлифовке и сверлении, где требуется высокая износостойкость.

- Универсальность: Области применения поликристаллических алмазов гораздо шире благодаря их гибкости в производстве и экономичности.

Однако пластины из поликристаллических алмазов имеют тенденцию обладать более низкой теплопроводностью и меньшей оптической прозрачностью, чем их аналоги из монокристаллических алмазов. Следовательно, они не могут применяться в высокоточной оптике или там, где требуется превосходное управление теплом.

Области применения поликристаллических алмазных пластин:

• Промышленные режущие инструменты: Применяются для изготовления инструментов, используемых при обработке, добыче полезных ископаемых и других абразивных работах.
• Теплоотводы: Там, где высокая теплопроводность не является обязательным условием.

• Износостойкие покрытия для компонентов, работающих в тяжелых условиях окружающей среды.

Сравнение: Монокристаллические и поликристаллические алмазные пластины

Вот уточненная сравнительная таблица с более четкой структурой и конкретными данными, где это применимо:

Основные характеристики:

• Теплопроводность: Монокристаллические алмазы значительно превосходят по теплоотдаче, что делает их идеальными для мощной электроники или сред, требующих эффективного управления теплом.
• Механическая прочность: Хотя оба типа алмазов прочны, монокристаллические алмазы, как правило, превосходят поликристаллические по однородности и прочности на разрыв.
• Экономическая эффективность: Поликристаллические алмазные пластины гораздо более экономичны, что делает их привлекательным выбором для промышленных применений, где конечная производительность не так важна.
• Оптическая чистота: Монокристаллические алмазы превосходят по оптическим свойствам благодаря своей однородной кристаллической структуре, в то время как поликристаллические алмазы менее прозрачны.

Заключение

Выбор между монокристаллическими и поликристаллическими алмазными пластинами обычно зависит от ряда конкретных потребностей. Монокристаллические алмазы гораздо лучше подходят для высокоточных применений в производстве полупроводников, современной электронике и оптике благодаря своим лучшим показателям теплопроводности и механической прочности. Поликристаллические алмазные пластины подходят для ситуаций, требующих долговечности, например для промышленной резки и сверления.

По мере дальнейшего совершенствования исследований и технологий роль алмазных пластин во многих отраслях промышленности также будет расти, делая эти материалы незаменимыми в разработке более эффективных, надежных и сложных технологий. За дополнительной информацией обращайтесь в Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Sobolev, Nikolay & Tomilenko, A. & Bul'bak, Taras & Logvinova, Alla. (2019). Состав углеводородов в алмазах, гранате и оливине из алмазоносных перидотитов трубки "Удачная" в Якутии, Россия. Инженерия. 5. 10.1016/j.eng.2019.03.002.