1 Pengenalan
Berlian mempunyai sifat mekanikal, optikal, haba dan elektrik yang sangat baik, menjadikannya bahan pelbagai fungsi biasa dengan prospek aplikasi yang luas dalam banyak-bidang teknologi tinggi seperti aeroangkasa, tenaga, penderia pintar dan pemesinan ketepatan [1]. Dengan peningkatan permintaan untuk berlian, rizab berlian asli adalah terhad dan sangat mahal, yang tidak dapat memenuhi keperluan sosial yang semakin meningkat. Oleh itu, penyelidik telah terus meneroka kaedah baru untuk mensintesis berlian secara buatan.
Kaedah utama untuk menyediakan berlian sintetik ialah kaedah suhu tinggi-tekanan tinggi-(HPHT) dan pemendapan wap kimia (CVD). Zarah berlian yang disintesis dengan kaedah HPHT kebanyakannya bersaiz kecil dan selalunya mengandungi sejumlah besar kekotoran mangkin. Oleh itu, skop aplikasinya adalah terhad, terutamanya kepada bahan pelelas dan alatan (cth, berlian polihabluran, PCD) [2]. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi pemendapan wap kimia (CVD) telah muncul sebagai tempat tumpuan penyelidikan yang sangat menjanjikan. Kristal berlian yang disediakan oleh CVD mempunyai saiz butiran dan bentuk kristal yang paling hampir dengan berlian asli dan mempamerkan sifat yang sangat baik [3].
2 Penyediaan Filem Berlian oleh CVD
Kaedah CVD adalah teknologi utama untuk menyediakan filem nipis dengan cara kimia. Ia telah digunakan secara meluas dalam penyediaan pelbagai bahan filem nipis dan juga merupakan kaedah penting untuk menghasilkan filem berlian. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan tentang sintesis filem berlian oleh CVD telah berkembang pesat, dan-keupayaan pengeluaran dan aplikasi berskala besar kini telah dicapai.
2.1 Mekanisme Pertumbuhan [4]
Sintesis CVD berlian secara amnya melibatkan penguraian karbon-yang mengandungi prekursor menggunakan tenaga dalam suasana pengurangan untuk menjana hidrogen atom, yang memudahkan pertumbuhan berlian. Proses pertumbuhan secara khusus merangkumi langkah asas berikut: (1) Prekursor (dicontohkan oleh CH₄) dimasukkan ke dalam reaktor CVD; (2) Prekursor gas diuraikan oleh tenaga (plasma atau tenaga haba) kepada radikal bebas (CₓHᵧ, dsb.); (3) Radikal bebas berlanggar antara satu sama lain sehingga mencapai permukaan substrat; (4) Radikal bebas menjerap pada permukaan substrat; (5) Radikal bebas yang terserap terurai untuk membentuk spesies karbon aktif dan meresap di permukaan; (6) Spesies aktif membentuk kekisi berlian; (7) Spesies tidak-aktif (seperti hidrogen) menyahserap daripada permukaan, membentuk molekul hidrogen atau{11}}hasil sampingan lain; (8) Produk sampingan{13}} meresap jauh dari permukaan melalui lapisan sempadan dan akhirnya dialih keluar oleh aliran gas pukal.
2.2 Teknik Persediaan
Sejak kemunculan penyediaan berlian CVD pada tahun 1980-an, penyelidik telah menjalankan-kajian mendalam yang berterusan, yang membawa kepada pembangunan pelbagai kaedah CVD [5]. Pada masa ini, teknik penyediaan filem berlian matang termasuk CVD filamen panas (HFCVD), CVD plasma gelombang mikro (MPCVD), dan jet plasma arka arus terus CVD (DCPJCVD).
2.2.1 CVD Filamen Panas (HFCVD)
Dalam kaedah HFCVD, gas hidrokarbon seperti metana (CH₄) dan asetilena, bersama-sama dengan hidrogen (H₂), dimasukkan ke dalam ruang tindak balas. Suhu filamen dalam ruang adalah melebihi 2000 darjah, dan gas bercampur diuraikan pada suhu tinggi untuk menghasilkan radikal karbon hibridisasi sp³ yang diperlukan untuk sintesis berlian, yang kemudiannya membentuk filem berlian pada permukaan substrat [6].
Kaedah HFCVD mempunyai kelebihan peralatan ringkas, kadar pemendapan filem yang tinggi, operasi mudah, kos rendah dan teknologi matang. Ia telah digunakan secara meluas dalam pengeluaran perindustrian dan juga merupakan salah satu kaedah utama untuk menyediakan salutan berlian mikrohabluran, salutan berlian nanohabluran dan salutan karbon-seperti berlian [2]. Kelemahannya termasuk: filamen panas tidak merangsang gas ke tahap yang tinggi, dan filamen itu sendiri boleh mencemarkan filem berlian; filamen terdedah kepada ubah bentuk semasa pemanasan, yang merendahkan keseragaman filem yang didepositkan; dan filamen mempunyai jangka hayat yang singkat, menjadikannya tidak sesuai untuk-pemendapan jangka panjang sampel filem tebal [7].
Pada masa ini, penyelidikan mengenai penyediaan filem berlian menggunakan HFCVD agak matang di peringkat domestik dan antarabangsa. Walau bagaimanapun, penerokaan lanjut masih diperlukan tentang cara menyesuaikan parameter proses untuk meningkatkan kualiti filem berlian [2]. Parameter proses utama termasuk kadar dan nisbah aliran gas, suhu filamen, jenis substrat dan suhu, dan tekanan kebuk tindak balas.
2.2.2 Arus Terus Arka Plasma Jet CVD (DCPJCVD)
Kaedah DCPJCVD ialah teknik pertumbuhan berlian CVD unik yang dibangunkan oleh penyelidik China [4]. Prinsipnya ialah menggunakan-nyahcas arka DC berkuasa tinggi untuk merangsang gas tindak balas yang terutamanya terdiri daripada CH₄-H₂-Ar ke dalam plasma, yang kemudiannya dilontarkan pada kelajuan tinggi ke permukaan substrat, mendepositkan filem berlian [7].
Berbanding dengan teknik pemendapan CVD yang lain, DCPJCVD mempunyai kelebihan kadar pemendapan tertinggi, voltan nyahcas rendah, arus nyahcas tinggi, darjah pengionan tinggi, ketumpatan plasma tinggi, dan kawasan pemendapan yang besar. Kadar pemendapan maksimumnya boleh mencecah 1000 μm/j, menjadikannya sesuai untuk penghasilan filem berlian-luas besar. Ia kini merupakan kaedah terpantas untuk mensintesis filem berlian, tetapi ia memerlukan pelaburan peralatan yang ketara, pemprosesan yang kompleks, dan keseragaman filem masih memerlukan penambahbaikan [4].
Di China, Universiti Sains dan Teknologi Beijing dan Akademi Sains Hebei bersama-sama membangunkan dan memperhalusi teknologi ini [8]. Pada masa ini, filem berlian yang disediakan oleh teknologi jet plasma arka DC di China berada pada tahap maju dari segi kualiti dan keluasan berbanding dengan yang dihasilkan melalui kaedah yang sama di luar negara, dan produk filem berlian yang berkaitan telah pun memasuki pasaran antarabangsa secara pukal sebagai bahan alat superhard.
2.2.3 CVD Plasma Gelombang Mikro (MPCVD)
Dalam kaedah MPCVD untuk penyediaan filem berlian, medan elektromagnet -berfrekuensi tinggi yang dijana oleh magnetron gelombang mikro menyebabkan elektron berayun dengan kuat dalam ruang terkurung. Elektron ini berlanggar dengan kuat dengan molekul gas dan atom dalam ruang, mengionkan gas dan menghasilkan radikal aktif seperti -CH₃ dan H. Spesies aktif ini mengalami tindak balas fizikokimia, bergerak ke arah substrat, dan kemudian menjerap, meresap, nukleus, dan tumbuh pada permukaan substrat, akhirnya menghasilkan filem berlian [9].
Ciri yang ketara bagi MPCVD ialah plasma gelombang mikro boleh mencapai nyahcas yang stabil tanpa elektrod melalui-medan elektrik frekuensi tinggi, dengan itu mengurangkan pencemaran sampel. Selain itu, gelombang mikro menyebabkan ayunan gas yang kuat, mengaktifkan gas dengan berkesan dan menghasilkan-plasma berketumpatan tinggi, yang membolehkan pertumbuhan filem berlian-berkualiti tinggi [10]. Kesukarannya terletak pada membentuk kawasan pemendapan yang besar dan seragam, yang dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk pengagihan medan elektrik dalam rongga, variasi suhu substrat, kuasa gelombang mikro, dan pengedaran radikal aktif. Selain itu, kadar pemendapan filem berlian secara amnya lebih rendah daripada jet plasma arka DC CVD [4].
Untuk mengimbangi kadar pemendapan rendah MPCVD, penyelidik asing telah terus meningkatkan kuasa input peralatan untuk meningkatkan kadar pemendapan. Sepanjang dekad pembangunan, kuasa telah meningkat daripada beberapa ratus watt kepada hampir 100 kW, meningkatkan dengan ketara kawasan pemendapan, kadar pemendapan dan kualiti filem berlian. Penyelidikan domestik mengenai penyediaan berlian MPCVD bermula agak lewat, tetapi melalui penyelidikan dan pembangunan berterusan, China sebahagian besarnya seiring dengan kemajuan antarabangsa, walaupun jurang masih kekal dalam aplikasi kualiti dan komersial. Dalam 20 tahun yang lalu, pasukan penyelidik domestik telah menumpukan pada reka bentuk resonator untuk meneruskan-pembangunan berlian komersial berskala besar [11].
3 Aplikasi Filem Berlian
3.1 Aplikasi Optik
Filem berlian mempunyai sifat optik yang sangat baik, termasuk pemancaran tinggi, indeks biasan rendah, dan penyerakan rendah. Ia sering digunakan untuk mengarang tingkap optik, kanta optik dan komponen lain, dengan prospek aplikasi yang cemerlang dalam-bidang teknologi tinggi seperti ketenteraan, komunikasi dan teknologi satelit. Filem berlian mempunyai sifat fizikokimia yang sangat baik, terutamanya penghantaran yang baik daripada ultraungu ke julat-inframerah jauh dan gelombang mikro. Apabila digunakan untuk tingkap optik, ia boleh mengelakkan kesan kanta haba, hakisan hujan, hakisan pasir dan herotan optik dengan berkesan. Selain itu, filem berlian sering digunakan dalam-tetingkap dan topeng sinar-X,-sasaran penghantaran sinar-X, kanta optik dan peranti lain [12].
3.2 Aplikasi Terma
Pada masa lalu, ketumpatan tinggi, kuasa tinggi, dan volum kecil telah menjadi trend berterusan dalam pembangunan peranti elektronik dalam bidang mikroelektronik. Walau bagaimanapun, dengan trend ini, haba yang dihasilkan oleh komponen akan meningkat dengan ketara. Filem berlian CVD mempunyai sifat yang setanding dengan berlian asli, terutamanya pekali pengembangan haba yang sangat rendah, kekonduksian terma ultra-tinggi dan penebat elektrik. Ia adalah bahan sink haba dan bahan pembungkusan yang ideal, digunakan secara meluas dalam-peranti laser berkuasa tinggi, litar bersepadu-besar, transistor kuasa RF,-tetingkap optik kuasa tinggi dan peranti lain.
3.3 Aplikasi Akustik
Dengan penggunaan peralatan audio yang meluas, permintaan pengguna untuk kualiti pembesar suara telah meningkat secara berterusan. Berbanding dengan bahan diafragma tradisional seperti gentian karbon, seramik dan berilium, filem berlian mempunyai ketumpatan yang lebih rendah dan modulus keanjalan yang lebih tinggi. Pada masa yang sama, sempadan butiran dalam filem berlian polihabluran boleh memberikan geseran dalaman yang ideal, memberikan mereka sifat komprehensif yang jauh lebih unggul daripada bahan tradisional, menjadikan berlian pilihan terbaik untuk diafragma pembesar suara. Di samping itu, menggunakan media halaju akustik tinggi adalah cara utama untuk meningkatkan kekerapan operasi peranti. Berlian pada masa ini merupakan bahan dengan halaju perambatan akustik tertinggi yang diketahui, yang boleh meningkatkan frekuensi operasi peranti gelombang akustik permukaan (SAW), membolehkan penukaran antara isyarat RF dan getaran mekanikal, dan menawarkan prospek aplikasi yang luas dalam satelit, komunikasi mudah alih, dan bidang lain [10].
3.4 Aplikasi Elektrik
Disebabkan oleh jurang jalur lebar berlian, mobiliti elektron dan lubang yang tinggi, medan elektrik pecahan tinggi, pemalar dielektrik rendah, kerintangan tinggi dan kekonduksian terma yang tinggi, ia amat sesuai untuk peranti semikonduktor bersepadu yang beroperasi di bawah suhu tinggi, pincang tinggi, kuasa tinggi dan keadaan sinaran tinggi. Oleh itu, berlian dijangka menggantikan silikon sebagai bahan ideal untuk peranti elektronik yang mesti beroperasi dengan pasti dalam keadaan yang teruk seperti suhu tinggi dan rintangan sinaran.
3.5 Aplikasi Bioperubatan
Filem berlian menggabungkan biokompatibiliti yang baik, sifat mekanikal yang sangat baik dan kestabilan kimia, menjadikannya sangat menjanjikan-biobahan generasi akan datang. Sifat mekanikal yang unggul dan kestabilan kimianya boleh mengurangkan kehausan dan kakisan elektrokimia implan bersalut-berlian. Kebolehubahsuaian permukaan, biokompatibiliti, dan kekonduksian elektrik yang sangat baik selepas doping filem berlian CVD juga menjadikannya sokongan yang sangat baik untuk biosensor. Berbanding dengan sokongan lain, biosensor berdasarkan substrat filem berlian menawarkan kestabilan, kebolehpercayaan dan kepekaan yang lebih tinggi.