Рост алмаза и графита из газовой фазы - Дерягин Б.В.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 37 приведены пять последовательных циклов наращивание—очистка синтетического алмазного порошка марки АСМ 1/0, и получено 9,5% нового алмаза. На рис. 38 приведена фотография установки для наращивания до 10 карат исходного алмазного порошка. Эта установка позволила нарастить значительное количество алмаза и провеет его всестороннее исследование [2]. Электроно-
72
графическое исследование показало, что наращенный алмаз не отличается от природного. Определение элементного состава проводилось сжиганием навески алмаза в токе кислорода. Было установлено, что если в исходном природном порошке среднее содержание углерода 93,10%, то в наращенном на 27% оно равно 93,95%. Это увеличение процентного содержания углерода связано с тем, что в процессе эпитаксиального синтеза наращивается чистый углерод, в то время как при синтезе методом высоких давлений алмаз включает в себя большое количество примесей.
Определение удельного веса проводилось по методу градиентной трубки. Для приготовления среды требуемого высокого удельного веса использовалась жидкость Клеричи (удельный вес 4,3 г!см3). Разбавляя ее водой при специальном перемешивании, можно иметь в вертикальном сосуде определенный градиент плотности. Для получения реперных точек использовались образцы с известным удельным весом. Положение крупинок алмазного порошка позволяло легко и быстро определять их удельный вес, который составил для исходного порошка 3,46 г/см3, а для наращенного на 27% —3,48 г/см3.
Исследование, проведенное методом микродифракции электронов, показало, что наращенный углерод имеет структуру алмаза.
Аналогичные результаты были получены при изучении рентгеновской дифракции алмазных порошков по методу Дебая. Так, наращенный на 50% порошок синтетического алмаза марки АСМ 1/0 исследовался на рентгеновской установке УРС-60. Было установлено, что он имеет параметры решетки те же, что и исходный алмазный порошок, т. е. 3,5656 + 3-10"1 А. Примеси других веществ не были обнаружены, хотя метод позволяет уверенно определять компоненты смеси, если их количество не менее 2—3 вес.%.
Испытания исходного и наращенных алмазных порошков (в виде свободного абразива и паст) показали, что наращенный порошок дает повышенную «чистоту» (гладкость) поверхности кремния после обработки. Так, исходный порошок давал класс чистоты 13а, тогда как наращенный — 14а.
Проведенные эксперименты показали, что толщина слоя затравочного порошка существенно влияет на производительность эпитаксиального синтеза. При большой толщине средняя скорость роста алмаза существенно уменьшается вследствие диффузионного торможения. Поэтому была поставлена работа по интенсификации роста алмаза [67].
Размеры реакторов для эпитаксиального синтеза алмаза существенно зависят от слоя затравочного алмазного порошка: чем тоньше слой, тем более компактным может быть изготовлен реактор. В зависимости от условий синтеза, в основном от температуры, реакция может не проникать на всю глубину слоя, и тогда часть затравочного порошка не будет принимать участия в процессе, а ее присутствие будет снижать значение удельной производительности.
73
Добиться относительной равномерности наращивания по всей глубине слоя можно по-разному. Во-первых, понизить температуру и перевести процесс из диффузионного режима в кинетический. Однако в этом случае необходимо рассыпать порошок тонким слоем, а скорость роста алмаза сильно уменьшить. Например, пусть эффективная глубина проникновения реакции равна 0,1 мм. Тогда 10 карат алмазного порошка потребуется рассыпать на площади в 160 смг, причем за один цикл будет наращиваться не более 0,1 % алмаза. Во-вторых, можно повысить температуру и увеличить толщину слоя алмазного порошка, проводя таким образом процесс в диффузионном режиме, и осуществить тем или иным способом непрерывное перемешивание. Второй путь является, несомненно, предпочтительным.
Кристаллизацию алмаза и графита нельзя рассматривать как независимые процессы, поскольку само явление образования новой фазы происходит на одной и той же поверхности и из одного и того же газа. Однако вследствие различных скоростей реакции эффективные глубины проникновения реакции в глубь дисперсного тела для алмаза и графита различны:
Здесь D' — эффективный коэффициент диффузии в слое порошка, а величина К' является некоторой фиктивной константой скорости гомогенной реакции, связанной с константой скорости гетерогенной реакции соотношением К.' = KS0, где S0 — удельная поверхность порошка. Этот метод, предложенный Я. Б. Зельдовичем, оказался очень перспективным и сводится к рассмотрению некоторой фиктивной гомогенной реакции в дисперсном теле вместо соответствующей гомогенной реакции.
Естественно, что величина эффективного коэффициента диффузии характеризует проникновение газа, например метана, в глубь порошка, поэтому она одинакова при росте и алмаза, и графита. Поскольку было установлено, что скорость роста алмаза превышает скорость роста графита, то La <~ La, в случае раздельного осаждения. При одновременном образовании двух фаз эффективная глубина проникновения реакции одна, потому что она связана с расходом реагирующего газа. Однако эта величина не остается постоянной и меняется со временем вследствие постепенного закрытия поверхности графитом. Если принять, что образование графита м алмаза происходит одновременно, то суммарная константа скорости реакции может быть записана в виде
