Синтетични камъни Диамантената машина - Знания - Tagesspiegel Mobil
Изследователите във Фрайбург масово отглеждат безупречни диаманти - предимно, за да създадат алтернатива на силиция за полупроводниковата индустрия. Но правилният лак също може да превърне растенията от плазмения реактор в бижута.
Машината, която един ден може да разтърси диамантения свят, седи на трон като гигантско сребърно яйце в лаборатория на изба в северната част на Фрайбург. "Обеликс" е готов за следващата смяна. Най-големият от осем плазмени реактора в Института за приложна физика на твърдото тяло (IAF) на Fraunhofer се издига на почти два метра. С натискането на един бутон инженерът Никола Ланг запали плазма от газовете водород и метан в корема на Обеликс. Чрез решетка за наблюдение в алуминиевия капак на микровълновата печка тя може да наблюдава как свети зелено-синкавият облак газ.
Точно тук се случва магията: слой по слой, материал, който прилича на безцветно стъкло, расте на пързалка в рамките на часове. Но това е безупречен, монокристален диамант. Чист въглерод в супер компактната си решетъчна структура. Когато го полирате, той започва да блести по неподражаем начин.
„Нашите синтетични диаманти са химически и физически идентични с необработените диаманти, които са старателно добивани“, казва Никола Ланг. Obelix също е ефективен, сребърният колос от Фрайбург е предназначен за масово производство. Ланг и нейният екип наскоро постигнаха рекорд с машината: „Успяхме да отгледаме 600 безупречни еднокристални диаманта едновременно. Това е 0,3 карата на диамант в рамките на десет дни. “Отглежданите по този начин камъни са големи колкото ъглови конфети. Но те са впечатляващо чисти и имат качество, което може да бъде привлекателно за бижутерите. Това би било доходоносен пазар. Миналата година за диамантени бижута бяха похарчени над 70 милиарда евро.
Монокристалният диамант е скъп екзотичен артикул за индустрията
Кристоф Небел го маха с ръка. „Бижутата с диаманти са хубав страничен аспект на нашето изследване“, казва ръководителят на отдела за полупроводникови сензори в IAF. За 59-годишния диамант е очарователен материал. „Диамантът е много лек, може да издържи на високи температури без охлаждане и е трудно излъчване“, казва той. Ако оборудвате решетката на въглеродния атом с допълнителни елементи, диамантът има и отлични електронни свойства. Следователно се счита за полупроводников материал със светло бъдеще. Фрайбургските диаманти трябва да се използват по-специално в силовата електроника, например в компоненти за сателитна комуникация и в лещи за високоенергийни лазери.
Той има само един недостатък: „Досега монокристалният диамант остава много скъп екзотичен продукт в индустрията.“ Небел и екипът му искат да променят това. От години изследователите на Fraunhofer работят върху превръщането на диамантите от рядко съкровище в масово произвеждан продукт. Искате да приложите материала върху тънки филийки. Такива вафли, от които след това се произвеждат компоненти, са най-добрият основен формат в полупроводниковата индустрия. „Четири или шест инчови диамантени пластини биха били пробивът“, казва Небел. Диамантът като алтернатива на силиция и иридия.
За около 60 години изследователите са успели да произвеждат диаманти в лабораторията. През 1954 г. американската компания General Electric представи на света първите си синтетични диаманти, произведени с помощта на високо налягане и високотемпературен процес (HPHT). Той имитира условията, които съществуват при случайното образуване на кристали дълбоко в мантията на Земята. Графитът - формата на въглерода, намираща се в моливните олово - е опакован в метален контейнер заедно с катализатор като желязо или никел и чертеж диамант. Капсулата се притиска в хидравлична преса при 1500 градуса по Целзий с налягания, които са 50 000 пъти въздушното налягане върху земната повърхност. След около седмица под високо налягане слоевете въглеродни атоми в графита се комбинират по тетраедричен начин, за да образуват диамант. Образуват се малки кристали, които често са замърсени с включвания и азот и поради това имат жълтеникав блясък.
Ултрачистият диамант расте почти сам по себе си
Такъв диамантен прах се използва главно в инструменти за пробиване, шлайфане и рязане. Трохите не са полезни за бижутерската индустрия. През последните 15 години обаче някои компании са успели да усъвършенстват сложния процес, така че да могат да отглеждат безцветни или цветни камъни с тегло няколко карата. Наскоро компанията "New Diamond Technologies" представи изрязан синтетичен диамант от десет карата. Рекордният клънкер нарасна през април в една от 50-те гигантски преси за диаманти, които компанията оперира във фабрика в Санкт Петербург. Но енергийните разходи са толкова големи, че поставят под въпрос рентабилността на такива бизнес модели.
Следователно производителите на диаманти все повече разчитат на втори производствен метод - технологията за нанасяне на покрития, която екипът на Fraunhofer също изследва: химическо отлагане на пари (CVD). Диамантен субстрат се поставя в микровълнова фурна и в него се изпомпва газова смес, състояща се от следи от метан и обилни количества водород. Микровълните създават гореща плазмена топка, като метанът губи водороден атом. Останалата молекула с въглероден атом на практика вали от плазмения облак върху субстрата и се отлага като диамант. Понякога в допълнение към диаманта се образува и графит. Той се гравира от агресивния молекулярен водород. Слой по слой, около един микрометър на час, ултрачистият диамант расте почти сам.
Изследователите от Fraunhofer усъвършенстват своя процес на ССЗ от 20 години. Един от ключовете за това е патентованата елипсоидна форма на реактора. Това дава възможност да се генерира плазма с голям обем на земята и по този начин да се отлага диамант върху голяма площ, казва Небел. За да се отглеждат монокристали, подходящи за бижута, субстратът вече трябва да се състои от монокристален диамант. Изследователите получават такива субстрати под формата на девет квадратни милиметра плочи от търговски производители. Това е еднократна покупка, тъй като след всеки цикъл можете да използвате лазер, за да отделите основите от порасналите камъни и да ги използвате повторно.
Молекулярните готвачи внасят цвят в игра
„Действителният отглеждан диамант е евтин“, казва Небел. Тъй като метанът и водородът са евтини промишлени газове. Източникът на енергия, 10 киловата микровълнова система, е най-важният двигател на разходите. "Слоят с дебелина два милиметра от 0,3 карата струва около 70 до 100 евро за производство", изчислява той. Купувачите на бижута също могат да се възползват от евтиното производство. Фирмата "Pure Grown Diamonds", която продава самоизработени бижута с CVD в САЩ, продава техните изсечени камъни на до 40 процента под цените на естествените камъни.
Синтетичните камъни превъзхождат необработените диаманти не само по своята чистота. Молекулярните готвачи могат да внесат цвят в игра: "Ако добавим бор към газовата смес, елементът се включва в нарастващата кристална решетка и диамантът става син", казва Небел. Жълтите камъни се образуват с азот. По-сложно е с червените. Такива изискани цветове са популярни в бижутерската индустрия, защото купувачите плащат високи цени за тях.