Синтетичні камені Алмазна машина - Знання - Tagesspiegel Mobil
Фрайбурзькі дослідники масово вирощують бездоганні алмази - перш за все, щоб створити альтернативу кремнію для напівпровідникової промисловості. Але правильний лак також може перетворити рослини з плазмового реактора на коштовності.
Машина, яка одного разу могла розхитати алмазний світ, сидить на троні, як гігантське срібне яйце, у лабораторії льоху на півночі Фрайбурга. "Обелікс" готовий до наступної зміни. Найбільший з восьми плазмових реакторів Інституту прикладної фізики твердого тіла Фраунгофера (IAF) піднімається майже на два метри. Натисканням кнопки інженер Нікола Ланг запалив плазму від газів водню та метану в животі Обелікса. Через оглядову сітку в алюмінієвій кришці мікрохвильової печі вона може спостерігати, як світиться зелено-синювата газова хмара.
Саме тут відбувається магія: шар за шаром, матеріал, схожий на безбарвне скло, росте на предметному склі протягом декількох годин. Але це бездоганний, монокристалічний діамант. Чистий вуглець у своїй суперкомпактній гратчастій структурі. Коли ви його поліруєте, він починає іскритися неповторно.
«Наші синтетичні алмази хімічно та фізично ідентичні неробочим алмазам, які копітко видобуваються, - каже Нікола Ленг. Obelix також ефективний, срібний колос із Фрайбурга призначений для масового виробництва. Ленг та її команда нещодавно встановили рекорд із верстатом: «Нам вдалося виростити 600 бездоганних монокристалічних діамантів одночасно. Це 0,3 карата на діамант протягом десяти днів ». Камені, вирощені таким чином, такі ж великі, як кутові конфетті. Але вони вражаюче чисті та мають якість, яка може бути привабливою для ювелірів. Це був би прибутковий ринок. Минулого року на діамантові прикраси було витрачено понад 70 мільярдів євро.
Монокристалічний алмаз - дорогий екзотичний виріб для промисловості
Крістоф Небель відмахвається. "Ювелірні діаманти є приємним побічним аспектом нашого дослідження", - говорить керівник відділу напівпровідникових датчиків в IAF. Для 59-річного алмазу це захоплюючий матеріал. "Алмаз дуже легкий, він може витримувати високі температури без охолодження і важко випромінює", - говорить він. Якщо грати атомів вуглецю оснащені додатковими елементами, алмаз також має відмінні електронні властивості. Тому його розглядають як напівпровідниковий матеріал зі світлим майбутнім. Фрайбурзькі алмази повинні використовуватися, зокрема, в силовій електроніці, наприклад, в компонентах для супутникового зв'язку та в лінзах для високоенергетичних лазерів.
У нього є лише одна вада: «Поки що монокристалічний алмаз залишався дуже дорогою екзотикою у промисловості». Небель та його команда хочуть це змінити. Протягом багатьох років дослідники компанії Fraunhofer працювали над перетворенням діамантів із рідкісного скарбу у продукт масового виробництва. Ви хочете нанести матеріал на тонкі скибочки. Такі пластини, з яких потім виготовляють компоненти, є найвищим базовим форматом у напівпровідниковій промисловості. "Діамантова пластинка розміром чотири або шість дюймів стане проривом", - говорить Небель. Алмаз як альтернатива кремнію та іридію.
Приблизно 60 років дослідникам вдалося виробляти алмази в лабораторії. У 1954 році американська компанія General Electric представила світові свої перші синтетичні алмази, вироблені з використанням високотемпературного високотемпературного процесу (HPHT). Він імітує умови, що існують при випадковому утворенні кристалів глибоко в земній мантії. Графіт - форма вуглецю, що міститься в олівцевих відведеннях - упакований у металеву ємність разом із каталізатором, таким як залізо чи нікель, та алмаз, що наноситься. Капсула пресується в гідравлічному пресі при 1500 градусах Цельсія з тиском, який відповідає 50 000 разів тиску повітря на земну поверхню. Приблизно через тиждень під високим тиском шари атомів вуглецю в графіті з’єднуються тетраедричним способом, утворюючи алмаз. Утворюються крихітні кристали, які часто забруднені включеннями та азотом і тому мають жовтуватий блиск.
Ультрачистий алмаз росте майже сам по собі
Такий алмазний порошок в основному використовується в інструментах для свердління, шліфування та різання. Крихти не корисні для ювелірної промисловості. Однак за останні 15 років деяким компаніям вдалося вдосконалити складний процес, щоб вони могли вирощувати безбарвні або кольорові камені вагою в кілька карат. Нещодавно компанія “New Diamond Technologies” представила огранований синтетичний алмаз на десять карат. Рекордний кланкер виріс у квітні в одному з 50 гігантських алмазних пресів, які компанія працює на заводі в Санкт-Петербурзі. Але енергетичні витрати настільки величезні, що ставлять під сумнів прибутковість таких бізнес-моделей.
Тому виробники алмазів все частіше покладаються на другий спосіб виробництва - технологію нанесення покриттів, яку також досліджує команда Фраунгофера: хімічне осадження парів (CVD). Алмазний субстрат поміщають в мікрохвильову піч і в нього закачують газову суміш, що складається зі слідів метану і великої кількості водню. Мікрохвилі створюють гарячу плазмову кульку, при цьому метан втрачає атом водню. Молекула, що залишилася з атомом вуглецю, падає з хмари плазми на підкладку і відкладається, як алмаз. Іноді крім алмазу утворюється і графіт. Він витравлюється агресивним молекулярним воднем. Шар за шаром, близько мікрометра на годину, надчистий алмаз росте майже сам по собі.
Дослідники Фраунгофера вдосконалювали свій процес ССЗ протягом 20 років. Одним із ключів цього є запатентована еліпсоїдна форма реактора. Це дозволяє генерувати велику плазму на землі і, таким чином, наносити алмаз на значну площу, каже Небель. Для вирощування монокристалів, придатних для ювелірних виробів, субстрат вже повинен складатися з монокристалічного алмазу. Дослідники отримують такі основи у вигляді дев'яти квадратних пластин від комерційних виробників. Це одноразова покупка, оскільки після кожного циклу ви можете за допомогою лазера відокремлювати основи від виросли каменів і використовувати їх повторно.
Молекулярні кухарі вносять колір у гру
"Насправді вирощений алмаз дешевий", - говорить Небель. Оскільки метан і водень - це дешеві промислові гази. Джерело енергії, мікрохвильова система потужністю 10 кіловат, є найважливішим фактором витрат. "Виготовлення шару товщиною в два міліметри в 0,3 карата коштує приблизно від 70 до 100 євро", - підрахував він. Покупці ювелірних виробів також можуть отримати вигоду з дешевого виробництва. Компанія "Pure Grown Diamonds", яка продає саморобні коштовності з CVD у США, продає їх обрізані камені на 40 відсотків нижче цін на природні камені.
Синтетичні камені не тільки перевершують алмази за чистотою. Молекулярні кухарі можуть внести колір у гру: "Якщо ми додаємо бор до газової суміші, елемент включається у зростаючу кристалічну решітку, а діамант стає синім", - говорить Небель. Жовті камені утворюються з азотом. Складніше з червоними. Такі вигадливі кольори популярні в ювелірній промисловості, оскільки покупці платять за них високі ціни.