Kuidas teemantmaterjale tasandatakse?

Kuidas teemantmaterjale tasandatakse?

 

"Timaks pooljuhtmaterjaliks" tituleeritud teemandil on lisaks erakordsele keemilisele stabiilsusele ka kõvadus, mida ei ületa ükski teine ​​looduses leiduv aine. Kuigi need väga ihaldatud omadused muudavad selle materjali valikuliseks, esitavad need töötlemisel samal ajal suuri väljakutseid. See, kuidas tõhusalt ja mittepurustavalt muuta need "kõvemad" materjalid lamedaks ja siledaks, on ülitäppistöötluse valdkonnas pikka aega olnud üks peamisi väljakutseid. Praegu on aktiivselt uuritud ja rakendatud enam kui kahekümne erineva teemantpoleerimise tehnika-sealhulgas mehaaniline poleerimine, keemiline-mehaaniline poleerimine ja laserpoleerimine. Kuigi meetodid on erinevad, võib aluseks olevad materjali eemaldamise mehhanismid lõpuks liigitada viide põhitüüpi: mikro-murd, grafitiseerimine, aurustamine, pihustamine ja keemiline reaktsioon.

Kõige traditsioonilisem ja intuitiivsem eemaldamismehhanism on mikro{0}}murd. See protsess on sarnane ühe kivi löömisega teise vastu; see kasutab teemant-abrasiivseid osakesi-või veelgi kõvemaid keraamilisi poleerimispatju-, et avaldada surve all teemantpinda, kokku suruda ja hõõruda. Tekkivad mehaanilised nihkejõud on piisavad, et tekitada teemantpinnalt mikroskoopiliste materjalifragmentide murdumine ja eraldumine, saavutades seeläbi materjali eemaldamise. Selle mehhanismi kõige olulisem rakendus on mehaanilistes lappimis- ja poleerimistehnikates{6}}, mis esindavad kõige varasemaid ja laialdasemalt kasutusele võetud poleerimisviise. Sellel „kõvale-kõvale-“ lähenemisel on aga kulud: see jätab teemandile sageli maha mikroskoopilised praod ja kahjustatud pinnakihi, mis kahjustab lõplikku pinnakvaliteeti.

 

Teine mehhanism kasutab leidlikult ära teemandi "Achilleuse kanda": grafitiseerimist. Kuigi teemant ja grafiit on allotroopid,-koosnevad mõlemad täielikult süsinikuaatomitest-, on nende aatomistruktuurid väga erinevad. Teemandis on süsinikuaatomid seotud tugevate sp³-hübriidsidemetega, moodustades jäiga kolmemõõtmelise võrestruktuuri, mis muudab materjali uskumatult kõvaks; vastupidi, grafiidi süsinikuaatomid kasutavad sp² hübridisatsiooni, et moodustada kihiline struktuur, kus kihtidevahelised jõud on nõrgad, mille tulemuseks on pehme tekstuur. Huvitav on see, et näiliselt hävimatu teemant eksisteerib tegelikult "metastabiilses olekus", samas kui pehme grafiit esindab süsiniku tõelist "termodünaamiliselt stabiilset olekut". See tähendab, et teatud tingimustel võib teemant ületada oma energiabarjääri ja muutuda grafiidiks. Näiteks katalüsaatori puudumisel põhjustab teemandi kuumutamine umbes 1500 kraadini selle pinna muutumise grafiidiks; siirdemetallide -nagu raud, koobalt või nikkel-katalüütilise abiga saab seda transformatsioonitemperatuuri aga drastiliselt alandada kuni umbes 700 kraadini. Termokeemiline poleerimine kasutab täpselt seda põhimõtet: kõrgete temperatuuride ja katalüütilise toimega "pehmendab" teemantpind kergesti eemaldatavaks grafiidikihiks, saavutades seeläbi väga tõhusa tasapinna.

 

Kõrgenergia kiirtehnoloogiate edenedes on teadlased avastanud kaks veelgi "agressiivsemat" eemaldamismehhanismi: aurustamine ja pihustamine. Kui suure -intensiivsusega laserkiir fokusseeritakse teemantpinnale, tekitab see väikesel alal koheselt ülikõrgeid temperatuure, -mis jõuab materjali sulamistemperatuurini (ligikaudu 4000–4500 K) või isegi selle keemistemperatuurini (ligikaudu 5100 K) ja aurustub materjal otse selle kaudu. võimaldab tõhusat lõikamist või materjali eemaldamist. Lisaks nendele termilistele efektidele saavad lühikese-lainepikkusega ultraviolettlaserid kasutada ka fotokeemilisi efekte süsinikuaatomite vaheliste keemiliste sidemete otseseks lõhustamiseks, võimaldades seeläbi täpsemat "külm" töötlemist. Erinevalt aurustamisest, mis põhineb termilistel efektidel, on pihustamine (tuntud ka kui pihustussöövitus) füüsiline kokkupõrkeprotsess. See kasutab teemantpinna pommitamiseks suure{12}}energiaga osakeste kiirt,{13}}nagu ioonkiirt,{14}} toimides nagu ülikiirete{16}}kiirete{17}}molekulaarsete kuulide tulevoog, annavad need osakesed edasi oma impulsi, et katkestada süsinikuaatomitevahelised kovalentsed sidemed, lüües need kristallvõrest välja. Ioonkiirega poleerimine põhineb just sellel mehhanismil; kuna selle eemaldamise täpsus võib ulatuda aatomitasemeni, annab see erakordselt kõrge kvaliteediga pinnad,{19}}kuigi äärmiselt madala efektiivsuse ja suurte kuludega.

Lõplik mehhanism-ja praegu peamine põhimõte ülimalt-siledate, kahjustusteta-vabade pindade- saavutamiseks on keemiline reaktsioon. See ei hõlma teemandi otsest allutamist tugevatele hapetele või alustele, -millega see toatemperatuuril ebaoluliselt reageerib,- vaid pigem kasutatakse redoksreaktsioone teemandi pinnal olevate süsinikuaatomite oksüdeerimiseks gaasilisteks toodeteks (nt süsinikmonooksiid või süsinikdioksiid) või eemaldatavateks ühenditeks, saavutades seeläbi materjali "eemaldava" vormi. Keemilise -mehaanilise poleerimise kontekstis ei ole materjali eemaldamine pelgalt mehaanilise hõõrdumise protsess, vaid pigem sünergiline koosmõju keemiliste reaktsioonide ja mehaanilise toime vahel. Esiteks oksüdeerivad poleerimisvedelikus olevad tugevad oksüdeerivad ained teemantpinna, moodustades õhukese oksiidikihi. Seejärel eemaldab poleerimisosakeste mehaaniline abrasiivne toime selle oksiidikihi, paljastades värske teemantpinna ja võimaldades seeläbi keemilisel reaktsioonil pidevalt kulgeda. Uuringud näitavad, et mehaaniline hõõrdumine võib esile kutsuda ka nanomõõtmelise võre moonutuse teemandi pinnal, vähendades veelgi selle keemilist stabiilsust ja kiirendades keemilist reaktsiooni. Plasma{13}}abiga poleerimine, vastupidi, kasutab plasmas olevaid reaktiivseid hapniku- või vesinikuaatomeid, et reageerida teemandi pinnal olevate süsinikuaatomitega, tekitades lenduvaid gaase ja saavutades seeläbi kahju{14}}vaba aatomi{15}}kattematerjali eemaldamise.

 

Alates iidsest mehaanilisest lihvimisest kuni tänapäevaste protsessideni, mis hõlmavad suure{0}}energia kiirte ja keemiliste-mehaaniliste mõjude sünergilist koosmõju, on teemantide töötlemise materjalieemaldusmehhanismid arenenud läbi progressi: pelgalt füüsilisele jõule tuginemisest kuni soojusenergia leidliku ärakasutamiseni ja lõpuks keemiliste reaktsioonide täpse juhtimiseni. Kas mikro-murdumise füüsilise "lahutamise", "faasimuutuse" eemaldamise kaudu grafitiseerimise ja aurustamise teel või "konversiooni" eemaldamise kaudu keemiliste reaktsioonide kaudu, need viis mehhanismi ei eksisteeri eraldi. Keerulistes liitpoleerimisprotsessides toimivad mitmed mehhanismid sageli koos{5}}sünergeetilises koostöös, et seda "materjalide kuningat" hoolikalt kujundada ja viimistleda. Nende mikroskoopiliste mehhanismide põhjalik mõistmine on teoreetiliseks nurgakiviks teemantmaterjalide tõhusa, täpse ja vähese kahjustusega-töötluse saavutamiseks.