1 Kirish
Olmos mukammal mexanik, optik, issiqlik va elektr xususiyatlarga ega boʻlib, uni aerokosmik, energetika, aqlli datchiklar va nozik ishlov berish kabi koʻplab yuqori-texnologik sohalarda keng qoʻllash istiqbollariga ega odatiy koʻp funksiyali materialga aylantiradi [1]. Olmosga bo'lgan talab ortib borayotganligi sababli, tabiiy olmos zaxiralari cheklangan va o'ta qimmat bo'lib, o'sib borayotgan ijtimoiy ehtiyojlarni qondira olmaydi. Shu sababli, tadqiqotchilar olmosni sun'iy ravishda sintez qilishning yangi usullarini doimiy ravishda o'rganishmoqda.
Sintetik olmosni tayyorlashning asosiy usullari yuqori{0}}bosim yuqori{1}}harorat (HPHT) usuli va kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD) hisoblanadi. HPHT usuli bilan sintez qilingan olmos zarralari asosan kichik hajmga ega va ko'pincha katalizator aralashmalarining katta miqdorini o'z ichiga oladi. Shuning uchun ularni qo'llash doirasi, birinchi navbatda, abraziv moddalar va asboblar (masalan, polikristal olmos, PCD) bilan cheklangan [2]. So'nggi yillarda kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD) texnologiyasi juda istiqbolli tadqiqot nuqtasi sifatida paydo bo'ldi. CVD tomonidan tayyorlangan olmos kristallari don o'lchamlari va tabiiy olmosnikiga eng yaqin kristall shakllariga ega va ajoyib xususiyatlarni namoyish etadi [3].
2 CVD tomonidan olmos plyonkalarini tayyorlash
CVD usuli kimyoviy vositalar bilan yupqa plyonkalarni tayyorlashning asosiy texnologiyasidir. U turli xil yupqa plyonkali materiallarni tayyorlashda keng qo'llanilgan va olmos plyonkalarini ishlab chiqarishning muhim usuli hisoblanadi. So'nggi yillarda CVD yordamida olmos plyonka sintezi bo'yicha tadqiqotlar tez sur'atlar bilan rivojlandi va hozirda keng miqyosda-ishlab chiqarish va qo'llash imkoniyatlariga erishildi.
2.1 O'sish mexanizmi [4]
Olmosning CVD sintezi, odatda, olmosning o'sishini osonlashtiradigan atom vodorodini hosil qilish uchun qaytaruvchi atmosferada energiyadan foydalangan holda{0}}tarkibida uglerodni o'z ichiga olgan prekursorlarni parchalashni o'z ichiga oladi. O'sish jarayoni quyidagi asosiy bosqichlarni o'z ichiga oladi: (1) prekursor (CH₄ misolida keltirilgan) CVD reaktoriga kiritiladi; (2) gazsimon prekursor energiya (plazma yoki issiqlik energiyasi) orqali erkin radikallarga (CₓHᵧ va boshqalar) parchalanadi; (3) Erkin radikallar substrat yuzasiga yetguncha bir-biri bilan to'qnashadi; (4) Erkin radikallar substrat yuzasida adsorbsiyalanadi; (5) Adsorbsiyalangan erkin radikallar faol uglerod turlarini hosil qilish uchun parchalanadi va sirtda tarqaladi; (6) faol turlar olmos panjarasini hosil qiladi; (7) Faol bo'lmagan turlar (masalan, vodorod) sirtdan desorblanib, vodorod molekulalarini yoki boshqa{11}}mahsulotlarni hosil qiladi; (8) Yon mahsulotlar-chegara qatlami orqali sirtdan uzoqqa tarqaladi va oxir-oqibat ommaviy gaz oqimi bilan chiqariladi.
2.2 Tayyorlash texnikasi
1980-yillarda CVD olmos tayyorlash paydo bo'lganidan beri tadqiqotchilar doimiy{1}}chuqur tadqiqotlar o'tkazdilar va bu turli xil CVD usullarini ishlab chiqishga olib keldi [5]. Hozirgi vaqtda etuk olmos plyonkasini tayyorlash usullari issiq filament CVD (HFCVD), mikroto'lqinli plazma CVD (MPCVD) va to'g'ridan-to'g'ri oqim yoyi plazma jet CVD (DCPJCVD) o'z ichiga oladi.
2.2.1 Issiq Filament CVD (HFCVD)
HFCVD usulida metan (CH₄) va asetilen kabi uglevodorod gazlari vodorod (H₂) bilan birga reaksiya kamerasiga kiritiladi. Kameradagi filament harorati 2000 darajadan yuqori va aralash gaz olmos sintezi uchun zarur bo'lgan sp³ gibridlangan uglerod radikallarini ishlab chiqarish uchun yuqori haroratda parchalanadi, keyinchalik ular substrat yuzasida olmos plyonka hosil qiladi [6].
HFCVD usuli oddiy asbob-uskunalar, yuqori plyonkali cho'kma tezligi, qulay foydalanish, arzon narxlardagi va etuk texnologiyaning afzalliklariga ega. U sanoat ishlab chiqarishida keng qo'llanilgan va mikrokristalli olmos qoplamalari, nanokristalli olmos qoplamalari va olmosga o'xshash-uglerod qoplamalarini tayyorlashning asosiy usullaridan biri hisoblanadi [2]. Uning kamchiliklari quyidagilardan iborat: issiq filament gazni yuqori darajada qo'zg'atmaydi va filamentning o'zi olmos plyonkasini ifloslantirishi mumkin; filament isitish vaqtida deformatsiyaga moyil bo'lib, yotqizilgan plyonkaning bir xilligini buzadi; va filament qisqa umrga ega, shuning uchun uni qalin plyonka namunalarini uzoq-to'kish uchun yaroqsiz qiladi [7].
Hozirgi vaqtda HFCVD yordamida olmos plyonkalarini tayyorlash bo'yicha tadqiqotlar mahalliy va xalqaro miqyosda nisbatan etuk. Biroq, olmos plyonkasi sifatini yaxshilash uchun jarayon parametrlarini qanday sozlash bo'yicha qo'shimcha tadqiqotlar hali ham talab qilinadi [2]. Jarayonning asosiy parametrlariga gaz oqimi tezligi va nisbati, filament harorati, substrat turi va harorati va reaktsiya kamerasi bosimi kiradi.
2.2.2 To'g'ridan-to'g'ri oqim yoyi plazma Jet CVD (DCPJCVD)
DCPJCVD usuli Xitoy tadqiqotchilari tomonidan ishlab chiqilgan noyob CVD olmos o'stirish texnikasi [4]. Uning printsipi, asosan, CH₄-H₂-Ar dan tashkil topgan reaksiya gazini plazmaga qoʻzgʻatish uchun yuqori{2}}quvvatli doimiy toʻgʻridan-toʻgʻri yoy deşarjlaridan foydalanish, soʻngra yuqori tezlikda substrat yuzasiga otilib, olmos plyonka hosil qiladi [7].
Boshqa CVD cho'kma texnikasi bilan solishtirganda, DCPJCVD eng yuqori cho'kish tezligi, past tushirish kuchlanishi, yuqori oqim oqimi, yuqori ionlanish darajasi, yuqori plazma zichligi va katta cho'kma maydonining afzalliklariga ega. Uning maksimal yotqizish tezligi 1000 mkm/soatga yetishi mumkin, bu esa uni yirik-maydondagi olmos plyonkalarini ishlab chiqarish uchun qulay qiladi. Hozirgi vaqtda bu olmos plyonkalarini sintez qilishning eng tezkor usuli, ammo bu katta uskunalarni investitsiyalashni, murakkab ishlov berishni talab qiladi va plyonkaning bir xilligi hali ham yaxshilanishi kerak [4].
Xitoyda Pekin Fan va Texnologiya Universiteti va Xebey Fanlar Akademiyasi birgalikda ushbu texnologiyani ishlab chiqdilar va takomillashtirdilar [8]. Hozirgi vaqtda Xitoyda DC arc plazma jet texnologiyasi tomonidan tayyorlangan olmos plyonkalari chet elda xuddi shu usulda ishlab chiqarilganlarga nisbatan sifat va maydon jihatidan ilg'or darajada va tegishli olmos plyonkali mahsulotlar allaqachon xalqaro bozorga super qattiq asbob materiallari sifatida kirib kelgan.
2.2.3 Mikroto'lqinli plazma CVD (MPCVD)
Olmos plyonkasini tayyorlash uchun MPCVD usulida mikroto'lqinli magnetron tomonidan yaratilgan yuqori chastotali elektromagnit maydon elektronlarning cheklangan maydonda kuchli tebranishiga olib keladi. Bu elektronlar kosmosdagi gaz molekulalari va atomlari bilan intensiv toʻqnashib, gazni ionlashtiradi va -CH₃ va H kabi faol radikallarni hosil qiladi. Bu faol turlar fizik-kimyoviy reaksiyaga kirishadi, substrat tomon harakatlanadi, soʻngra adsorbsiyalanadi, tarqaladi, yadrolanadi va substrat yuzasida olmosli plyonka hosil qiladi, yielult9.
MPCVD ning e'tiborga molik xususiyati shundaki, mikroto'lqinli plazma yuqori chastotali elektr maydoni orqali elektrodlarsiz barqaror zaryadga erisha oladi va shu bilan namunaning ifloslanishini kamaytiradi. Bundan tashqari, mikroto'lqinli gazning kuchli tebranishiga sabab bo'ladi, gazni samarali faollashtiradi va yuqori{2}}zichlikdagi plazma hosil qiladi, bu esa yuqori sifatli olmos plyonkalarining o'sishiga imkon beradi [10]. Qiyinchilik katta va bir xil cho'kma maydonini shakllantirishda yotadi, bu ko'plab omillar, jumladan bo'shliqdagi elektr maydonining taqsimlanishi, substrat haroratining o'zgarishi, mikroto'lqinli quvvat va faol radikallarning tarqalishi. Bundan tashqari, olmos plyonkasini cho'ktirish tezligi odatda DC yoyi plazma reaktiv CVD dan pastroqdir [4].
MPCVD ning past yotqizish tezligini qoplash uchun xorijiy tadqiqotchilar cho'kma tezligini oshirish uchun uskunaning kirish quvvatini doimiy ravishda oshirdilar. Rivojlanishning o'n yilliklari davomida quvvat bir necha yuz vattdan 100 kVtgacha ko'tarildi, bu esa olmos plyonkalarining cho'kindi maydonini, cho'kma tezligini va sifatini sezilarli darajada yaxshilaydi. MPCVD olmoslarini tayyorlash bo'yicha mahalliy tadqiqotlar nisbatan kechroq boshlandi, ammo doimiy tadqiqot va ishlanmalar tufayli Xitoy xalqaro taraqqiyotni sezilarli darajada ushlab turdi, ammo sifat va tijorat ilovalarida bo'shliqlar saqlanib qolmoqda. Oxirgi 20 yil ichida mahalliy tadqiqot guruhlari yirik-koʻlamli tijoriy olmosni ishlab chiqish [11] uchun rezonator dizayniga eʼtibor qaratdi.
3 Olmos plyonkalarining qo'llanilishi
3.1 Optik ilovalar
Olmos plyonkalari mukammal optik xususiyatlarga ega, jumladan, yuqori o'tkazuvchanlik, past sinishi indeksi va past tarqalish. Ular ko'pincha harbiy, aloqa va sun'iy yo'ldosh texnologiyalari kabi yuqori-texnologik sohalarda ajoyib qo'llash istiqbollariga ega bo'lgan optik oynalar, optik linzalar va boshqa komponentlarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Olmos plyonkalari mukammal fizik-kimyoviy xususiyatlarga ega, ayniqsa ultrabinafshadan uzoq infraqizil va mikroto'lqinli diapazonlarga-yaxshi o'tkazuvchanlikka ega. Optik oynalar uchun foydalanilganda ular termal linzalar ta'siridan, yomg'ir eroziyasidan, qum eroziyasidan va optik buzilishdan samarali ravishda qochishi mumkin. Bundan tashqari, olmos plyonkalari ko'pincha rentgen oynalari va niqoblarida, rentgen nurlarini o'tkazish maqsadlarida, optik linzalarda va boshqa qurilmalarda qo'llaniladi [12].
3.2 Termik ilovalar
O'tmishda yuqori zichlik, yuqori quvvat va kichik hajm mikroelektronika sohasida elektron qurilmalarni rivojlantirishning davom etayotgan tendentsiyalariga aylandi. Biroq, bu tendentsiya bilan komponentlar tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik sezilarli darajada oshadi. CVD olmos plyonkalari tabiiy olmosnikiga o'xshash xususiyatlarga ega, ayniqsa issiqlik kengayishining juda past koeffitsienti, ultra-yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi va elektr izolyatsiyasi. Ular yuqori quvvatli lazer qurilmalari, katta{5}}oʻlchovli integral mikrosxemalar, RF quvvatli tranzistorlar, yuqori-quvvatli optik oynalar va boshqa qurilmalarda keng qoʻllaniladigan ideal issiqlik qabul qiluvchi materiallar va qadoqlash materiallaridir.
3.3 Akustik ilovalar
Ovoz uskunalarini keng qo'llash bilan iste'molchilarning dinamik sifatiga bo'lgan talablari doimiy ravishda oshdi. Uglerod tolasi, keramika va berilyum kabi an'anaviy diafragma materiallari bilan taqqoslaganda, olmos plyonkalari zichligi pastroq va elastik modulga ega. Shu bilan birga, polikristalli olmos plyonkalaridagi don chegaralari ideal ichki ishqalanishni ta'minlashi mumkin, bu ularga an'anaviy materiallardan ancha ustun bo'lgan keng qamrovli xususiyatlarni beradi va olmosni dinamik diafragma uchun ajoyib tanlov qiladi. Bundan tashqari, yuqori akustik tezlik vositalaridan foydalanish qurilmalarning ishlash chastotasini oshirishning asosiy vositasidir. Olmos hozirda ma'lum bo'lgan eng yuqori akustik tarqalish tezligiga ega material bo'lib, u sirt akustik to'lqinlari (SAW) qurilmalarining ish chastotasini sezilarli darajada yaxshilaydi, RF signallari va mexanik tebranishlarni o'zaro konversiyalash imkonini beradi va sun'iy yo'ldosh, mobil aloqa va boshqa sohalarda keng qo'llash istiqbollarini taklif qiladi [10].
3.4 Elektrga oid ilovalar
Olmosning keng tarmoqli oralig'i, yuqori elektron va teshik harakatchanligi, yuqori parchalanish elektr maydoni, past dielektrik doimiyligi, yuqori qarshilik va yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli u yuqori harorat, yuqori moyillik, yuqori quvvat va yuqori radiatsiya sharoitida ishlaydigan yuqori darajada integratsiyalangan yarimo'tkazgichli qurilmalar uchun juda mos keladi. Shu sababli, olmos yuqori harorat va radiatsiya qarshiligi kabi og'ir sharoitlarda ishonchli ishlashi kerak bo'lgan elektron qurilmalar uchun ideal material sifatida silikon o'rnini bosishi kutilmoqda.
3.5 Biotibbiy qo'llanmalar
Olmos plyonkalari yaxshi biomoslashuvchanlik, mukammal mexanik xususiyatlar va kimyoviy barqarorlikni o‘zida mujassam etgan holda ularni keyingi avlod biomateriallari uchun juda istiqbolli-bo‘ladi. Ularning yuqori mexanik xususiyatlari va kimyoviy barqarorligi olmos bilan qoplangan-implantlarning aşınmasını va elektrokimyoviy korroziyasini sezilarli darajada kamaytiradi. CVD olmos plyonkalarini dopingdan so'ng sirt o'zgarishi, biologik muvofiqligi va mukammal elektr o'tkazuvchanligi ularni biosensorlar uchun ajoyib qo'llab-quvvatlaydi. Boshqa tayanchlar bilan taqqoslaganda, olmos plyonkali substratlarga asoslangan biosensorlar yuqori barqarorlik, ishonchlilik va sezgirlikni ta'minlaydi.