5-인치 자체 지지형 다이아몬드 웨이퍼! 경도는 208.3 GPa에 도달

5-인치 자체 지지형 다이아몬드 웨이퍼! 경도는 208.3 GPa에 도달

다이아몬드는 자연에서 가장 단단한 재료로서 초정밀 가공, 반도체, 항공우주 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.- 다이아몬드 합성을 위한 전통적인 고온-고압{3}}압력 방법은 크기 제한, 결합제의 존재, 천연 다이아몬드를 초과하는 경도 달성의 어려움 등의 문제를 겪고 있습니다. 최근 나노 구조 설계(예: 나노쌍정)의 발전으로 경도가 크게 향상되었지만 샘플 크기는 일반적으로 밀리미터 범위에 불과하고 합성 조건이 극단적이어서 인치-크기의 바인더가 없는-초-경질 다이아몬드의 대규모 생산을 달성하기가 어렵습니다. 화학 기상 증착(CVD) 기술은 대형 다이아몬드를 생산할 수 있는 잠재력을 갖고 있지만{10}}그 경도는 오랫동안 200GPa를 초과하기 어려웠습니다. 따라서 대형-초경질 다이아몬드를 제어하여 준비하기 위한 새로운 방법을 개발하는 것이 이 분야에서 시급한 요구 사항이 되었습니다.

 

베이징 과학 기술 대학교의 Li Chengming, Liu Jinlong과 홍콩 대학교의 Lu Yang이 이끄는 연구팀은 Nature Communications 저널에 "고주파 펄스 국소 비평형 성장을 통한 200 GPa 경도의 인치-규모 초경질 다이아몬드 웨이퍼"라는 제목의 연구 논문을 발표했습니다.

 

연구팀은 자체 개발한-마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착 시스템을 통해 다이아몬드 성장 과정에서 국소적인 비평형 제어를 달성하기 위한 고주파-주기적 펄스 질소 도핑 전략을 도입하여 직경 5인치, 두께 약 3mm의 자립형 초경질 다이아몬드 웨이퍼를 성공적으로 준비했습니다.- 웨이퍼의 비커스 경도는 이전에 보고된 나노쌍정 다이아몬드와 비슷한 208.3GPa에 이르렀고, 내마모성은 기존 다결정 다이아몬드의 약 7배였습니다. 고해상도-투과전자현미경 및 기타 특성화 기술을 통해 웨이퍼 내에서 고밀도-밀도 3차원-직조 적층 결함 네트워크(밀도가 4.3 × 101² cm⁻²에 달함)의 형성이 밝혀졌으며, 질소 도핑이 적층 결함 형성 에너지를 감소시켜 경도를 높이는 미세한 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이 작업은 인치-크기의 초경질 다이아몬드를 대규모로 준비하고 고급 가공 분야에 적용하기 위한 새로운 접근 방식을 제공합니다.-

 

본 연구에서는 직경이 5인치이고 경도가 208.3 GPa인 초경질 다이아몬드 웨이퍼를 성공적으로 생산했습니다.- 자체 설계한-고주파 펄스 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착 기술을 사용하고 수소, 메탄, 질소 및 소량의 산소를 소스 가스로 사용하여 약 2.8mm 두께의 5-인치 다결정 다이아몬드 기판을 흑연 기판 위에 먼저 성장시켰습니다. 이어서, 고주파 펄스 질소 도핑 공정을 통해 각 사이클(최소 6초)에서 질소 가스 흐름 시간을 정밀하게 제어했습니다. 질소 원자를 사용하여 플라즈마 환경을 교란함으로써 국부적인 비평형 성장 조건이 생성되었습니다. 그 결과 다이아몬드 내부에 초고-밀도의 3차원-직조 적층 결함 네트워크가 형성되어 경도가 2배, 내마모성이 7배 증가하여 탁월한 성능을 달성했습니다.