Hòstia de diamants autosuportable de 5-polzades! La duresa arriba als 208,3 GPa

Hòstia de diamants autosuportable de 5-polzades! La duresa arriba als 208,3 GPa

El diamant, com el material més dur de la natura, té aplicacions importants en el mecanitzat d'ultra-precisió, els semiconductors i l'aeroespacial. Els mètodes tradicionals d'alta-temperatura i alta-pressió per a la síntesi de diamants pateixen limitacions de mida, la presència d'aglutinants i la dificultat per aconseguir una duresa superior a la dels diamants naturals. Tot i que els avenços recents en el disseny de nanoestructures (com ara el nanotwinning) han millorat significativament la duresa, les mides de les mostres solen estar només en el rang de mil·límetres i les condicions de síntesi són extremes, cosa que dificulta la producció a gran-escala de diamants de mida-polzades-sense aglutinants i ultra-durs. Tot i que la tecnologia de deposició de vapor químic (CVD) té el potencial de produir diamants de mida gran-, fa temps que la seva duresa ha estat difícil de superar els 200 GPa. Per tant, el desenvolupament d'un nou mètode per a la preparació controlada de diamants de gran-mida i ultra-dura s'ha convertit en una necessitat urgent en aquest camp.

 

Un equip d'investigació dirigit per Li Chengming i Liu Jinlong de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Beijing i Lu Yang de la Universitat de Hong Kong va publicar un article de recerca titulat "Hòstia de diamant ultradur a escala de polzades amb duresa de 200 GPa mitjançant un creixement local no- d'equilibri local pulsat d'alta freqüència" a la revista Nature Communications.

 

Mitjançant un sistema de deposició de vapor químic de plasma de microones desenvolupat per si mateix, l'equip d'investigació va introduir una estratègia de dopatge de nitrogen polsat cíclic d'alta freqüència per aconseguir un control local de no-equilibri durant el procés de creixement del diamant, preparant amb èxit una hòstia de diamant dur ultra{{4}autosuportant d'aproximadament 3 mil·límetres de diàmetre i 5 mil·límetres de gruix. La duresa Vickers de l'hòstia va arribar als 208,3 GPa, comparable a la dels diamants nanotwinned anteriorment informats, i la seva resistència al desgast era aproximadament 7 vegades la dels diamants policristalins tradicionals. La microscòpia electrònica de transmissió d'alta-resolució i altres tècniques de caracterització van revelar la formació d'una xarxa de falles d'apilament entrellaçades tridimensionals{-d'alta-densitat-(densitat que arriba a 4,3 × 10¹² cm⁻²) dins de l'hòstia i van dilucidar el mecanisme microscòpic pel qual l'apilament redueix l'energia de la fallada de nitrogen, augmentant-hi la duresa. Aquest treball proporciona un nou enfocament per a la-preparació a gran escala de diamants ultra-de mida de polzades-i les seves aplicacions en camps de processament-de gamma alta.

 

Aquesta investigació va produir amb èxit una hòstia de diamant ultra-dur amb un diàmetre de 5 polzades i una duresa de 208,3 GPa. Utilitzant una tècnica de deposició de vapor químic de plasma de microones polsats d'alta freqüència de disseny propi i utilitzant hidrogen, metà, nitrogen i una petita quantitat d'oxigen com a gasos font, es va cultivar per primera vegada un substrat de diamant policristalí de 5- polzades amb un gruix d'aproximadament 2,8 mm sobre un substrat de grafita. Posteriorment, mitjançant un procés de dopatge de nitrogen polsat-d'alta freqüència, el temps de flux de gas nitrogenat es va controlar amb precisió en cada cicle (mínim 6 segons). Mitjançant l'ús d'àtoms de nitrogen per pertorbar l'entorn del plasma, es van crear condicions de creixement localitzades sense -equilibri. Això va donar lloc a la formació d'una xarxa de falles d'apilament entrellaçades tridimensionals d'ultra-densitat{-de densitat-dins del diamant, aconseguint un rendiment excel·lent amb una duresa duplicada i un augment de set vegades en la resistència al desgast.