論UNCD的應(yīng)用與研發(fā)方向(工業(yè)金剛石戰(zhàn)略發(fā)展思考之三)

談耀麟

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

21世紀(jì)的前10年CVD金剛石技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。CVD方法合成金剛石不但有利于降低工業(yè)金剛石的應(yīng)用成本,而且有利于從廣度和深度上更加充分地發(fā)掘利用金剛石所固有的內(nèi)在極致性質(zhì),從而有可能解決一系列尖端科學(xué)技術(shù)難題。

為了開發(fā)利用CVD金剛石的極致性能,元素6公司近期致力于超純度(包括同位素純和化學(xué)純)單晶質(zhì)CVD金剛石的研發(fā);而ADT公司則集中力量采用CVD技術(shù)進(jìn)行合成超納晶金剛石(UNCD)的研發(fā),使工業(yè)金剛石從HPHT金剛石擴(kuò)展到聚晶質(zhì)CVD金剛石再到單晶質(zhì)CVD金剛石和超納晶CVD金剛石。

1 UNCD的研發(fā)背景

眾所周知,阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)乃美國能源部最大的科學(xué)與工程研究實(shí)驗(yàn)室,主要研究領(lǐng)域?yàn)閲野踩?、能源和環(huán)保。下設(shè)八大研究部,從事相關(guān)的學(xué)科基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新。UNCD即其材料科學(xué)研究部與納米材料研究中心的研究成果。為了將UNCD技術(shù)付諸商業(yè)化生產(chǎn),他們于2003年12月成立了ADT(先進(jìn)金剛石技術(shù))公司。該公司受權(quán)使用和處理UNCD的合成、精密加工和推廣應(yīng)用的有關(guān)專利技術(shù)。

2 UNCD的特性

UNCD是CVD技術(shù)合成的超納米結(jié)晶金剛石(ultrananocrystalline diamond),亦稱超納晶DVD金剛石,除了具有CVD金剛石的共同性質(zhì)之外,還兼有納米材料的特性。它是由直徑為2～5nm的金剛石微晶所組成,其晶粒體積還不到普通金剛石薄膜晶粒的十億分之一。UNCD金剛石薄膜的性能不但可在很大范圍內(nèi)調(diào)整,而且還具有可重復(fù)生產(chǎn)性,也就是說可以重復(fù)生產(chǎn)出不同性能的UNCD薄膜應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和特定條件。比如說它的熱導(dǎo)率、導(dǎo)電性和光學(xué)性質(zhì)都可在幾個數(shù)量級的范圍內(nèi)加以改變,使這種薄膜在常溫下具有很高的導(dǎo)電性,同時具有較高的或者較低的熱導(dǎo)率;也可以使這種薄膜具有較高的或較低的透明度。主要特性如下:

2.1 極高的表面光滑度

就微觀形態(tài)而論,普通CVD金剛石膜是比較粗糙的,大多利用其極高的硬度與耐磨性來制作切削工具等,由于極難提高其表面光滑度而限制了其應(yīng)用范圍。

UNCD不但具有極高的表面光滑度,而且可加以控制和調(diào)整以適應(yīng)不同場合的摩擦阻力。

2.2 極好的粘附性

UNCD易與其它材料嚴(yán)密結(jié)合,可沉積生長在Si、SiO2、W、Mo、TiA l4V6、Ta和Si3N4等材料上,使金剛石的特性與其它材料的特性相結(jié)合而制造出全新型的高性能器件。

2.3 極好的防護(hù)性

UNCD具有天然金剛石的化學(xué)穩(wěn)定性和惰性,又可制成超薄的無針孔連續(xù)膜,因而是極佳的防護(hù)材料。

2.4 無粘滯作用

調(diào)整UNCD的表面化學(xué)性質(zhì)可以使它具有憎水性或者親水性。在微電子機(jī)械系統(tǒng)(M EM S)組件中,憎水性可消除粘滯作用,提高可靠性,同時降低制造與包裝成本。

2.5 膜應(yīng)力小

UNCD的膜應(yīng)力很小。這一性能對于在M EM S組件中不同性質(zhì)材料的相結(jié)合至關(guān)重要。

2.6 電化學(xué)性質(zhì)

工作電位窗很寬,本底電流低。

2.7 電學(xué)性質(zhì)

可具有導(dǎo)電性或絕緣性。在高室溫下具有n型或P型傳導(dǎo)性,可用作電子發(fā)射電極進(jìn)行低閾值和穩(wěn)定的場致電子發(fā)射。

2.8 生物相容性

用作生物材料例如有機(jī)光電器件基材的表面修飾和表面功能化,以及生物醫(yī)學(xué)中的生物微電子機(jī)械系統(tǒng)(bioM EM S)的傳感器和人體植入器官等。

2.9 便于精密加工制作成形

UNCD的沉積溫度低,與易碎的電子元器件和低熔點(diǎn)金屬等均具有相容性;可在高深寬比結(jié)構(gòu)的表面形成適形的光滑的涂層;而且可以采用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。

3 UNCD系列制品的用途

ADT公司研發(fā)UNCD的初衷是將它應(yīng)用于電子學(xué)、光學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。最初投放市場的產(chǎn)品為UNCD Aqua系列。

3.1 UNCD Aqua

該系列產(chǎn)品均為表面十分光滑的薄膜,但熱導(dǎo)率、導(dǎo)電性和光學(xué)透明度各異,可沉積在各種材料表面,包括300 mm的硅晶片上。這種薄膜為位相純納晶金剛石,不含無定形石墨相,內(nèi)應(yīng)力極低。該系列產(chǎn)品包括Aqua 25、Aqua 50和Aqua 100。Aqua 25的表面光滑度最高,達(dá)到7 nm rm s,最適合用于M EM S器件和毫微壓印光刻等;Aqua 50具有最好的摩擦學(xué)性質(zhì),最宜用作工業(yè)上的低摩擦阻力涂層;Aqua 100的導(dǎo)熱率最高,適合用作散熱材料以及在光譜學(xué)中利用它的透明性。上述三種制品的性質(zhì)各有所長,各有其最佳應(yīng)用場合,如表1所列。

3.2 NaDia Probe

原子力顯微鏡(AFM)是一種具有原子分辨能力的表面形貌與電磁性能分析的重要儀器,是表面科學(xué)、納米技術(shù)、生物技術(shù)、電子學(xué)等領(lǐng)域的重要研究手段。它優(yōu)于掃描電子顯微鏡,后者只給出樣品的二維投影或影像,而前者可給出真實(shí)的三維表面輪廓,且分辨率更高,達(dá)到幾分之一納米,比光學(xué)繞射極限好1000倍,可進(jìn)行生物高分子乃至活體研究。

表1 UNCD Aqua的性質(zhì)和應(yīng)用場合Proferties and applications UNCD Aqua

AFM是靠探針進(jìn)行工作的,探針由懸臂和其端部的尖針組成。尖針用于對樣品表面進(jìn)行掃描。探針的材料通常為硅或氮化硅(Si3N4)。懸臂一般長100～500μm,厚500nm～5μm,寬10μm。針尖曲率半徑從10至數(shù)十nm。探針在工作過程中不斷磨損,分辨率很快下降。為了克服使用壽命短、分辨率不穩(wěn)定和一致性差等問題,目前已研制出金剛石鍍層針尖和全金剛石針尖。NaDia Probe是完全用UNCD制作的探針,即懸臂與尖針都是用UNCD制作的整體結(jié)構(gòu)探針,其優(yōu)點(diǎn)是:

▲耐磨性比硅或氮化硅探針高,而具有同等的精度;

▲具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性,掃描量比硅或氮化硅探針多得多;

▲針尖半徑在20～30nm之間,而在堅(jiān)硬平面上的成像分辨率始終小于20nm,達(dá)到10nm或以下;

▲低表面能,在軟而有粘性的基片上具有優(yōu)良的成像性能,并可防止細(xì)屑堆積;

▲摩擦力低,成像時可防止樣品損壞。3.2.1 Conductive NaDia Probe

這是用導(dǎo)電性UNCD制作的探針,其電阻率極低,徹底解決了普通導(dǎo)電探針上導(dǎo)電金屬鍍層的剝落問題,配備在掃描擴(kuò)展電阻顯微鏡(SSRM)上,可有效地用于繪制半導(dǎo)體材料中載流子濃度二維分布圖,檢測半導(dǎo)體表面局部的電阻分布,檢測金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長的磷化銦和砷化鎵光電子與微電子結(jié)構(gòu)如異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管和埋異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)的裂邊等。

應(yīng)指出的是,這種導(dǎo)電性納米金剛石探針還可應(yīng)用于氧化毫微光刻(Oxidation Nanolithography)。這是基于尖針下有限空間的氧化反應(yīng)以尖針為基本手段的納米加工方法。由于納米技術(shù)的進(jìn)展取決于納米尺度結(jié)構(gòu)的制作、定位和相互連接,所以大量研究工作都集中在納米尺度光刻的發(fā)展。氧化毫微光刻可以制造出納米精度的點(diǎn)、線和字符等各種單元,因而可用于信息存儲,信息密度可達(dá)到1.6T bit/in2。有報道稱,2005年西班牙國家研究院的研究人員用氧化毫微光刻技術(shù)在幾個微米平方的硅片上刻寫出著名作家塞萬提斯所著《唐吉訶德》一書的頭10行字。氧化毫微光刻還可用于設(shè)計(jì)反蝕遮罩以制作納米級電子元件如場效應(yīng)晶體管、單電子晶體管、約瑟夫遜結(jié)、量子環(huán)或量子干涉元件等。

導(dǎo)電性納米金剛石探針也是壓電式力顯微鏡(PFM)的重要器件。壓電式力顯微鏡可顯示各種鐵電體、壓電體、高分子材料和生物材料的機(jī)電耦合特性。

3.2.2 其它類型的鈉米金剛石探針

包括動態(tài)(輕擊)模式納米金剛石探針(Dynamic Mode NaDia Probe)和接觸模式納米金剛石油探針(Contact Mode NaDia Probe)。特點(diǎn)是非常耐磨,使用壽命長,可應(yīng)用于硅探針容易破損的場合,如硬質(zhì)表面成像、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制,以及納微制作技術(shù)(nanomanufaefuring)如納米材料的生產(chǎn)、激光消融技術(shù)(用于激光外科醫(yī)療),激光蝕刻技術(shù)等。

3.3 UNCD Faces and Seals

納米金剛石面密封材料(Faces)與密封墊(Seals)的研制成功將金剛石的優(yōu)越摩擦學(xué)性質(zhì)充分應(yīng)用到泵類和混料機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的機(jī)械密封之中,好處是:

▲大幅度延長了密封裝置的使用壽命;

▲在干摩擦或潤滑條件差的情況下,有更高的耐磨性;

▲在泵送高溫介質(zhì)的設(shè)備中可采用硬質(zhì)密封面;

▲可降低能耗;

▲適用于各種介質(zhì)的密封。

由于UNCD是納米級晶粒構(gòu)成的,所以沉積生成的薄膜表面十分光滑,因而具有優(yōu)異的減阻性能。加之金剛石所固有的高硬度、高熱導(dǎo)性、化學(xué)惰性、無粘著性、生物相密性等,使納米金剛石面密封材料與密封墊在使用中降低了摩擦阻力,使摩擦面很快散熱,降低能耗,延長使用壽命,可應(yīng)用于各種高溫或化學(xué)腐蝕性介質(zhì)的輸送系統(tǒng),并降低設(shè)備的維修保養(yǎng)成本。

在高溫介質(zhì)中通常采用SiC密封材料,經(jīng)實(shí)測UNCD密封材料對SiC的摩擦系數(shù)只有0.02～0.04,遠(yuǎn)低于密封行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。也就是說,SiC對SiC的摩擦系數(shù)比UNCD對SiC的摩擦系高得多。再者,在腐蝕性高溫(250°F,150psig)介質(zhì)中,UNCD密封材料對碳質(zhì)密封材料之間的磨損實(shí)測值比之α碳化硅密封材料對碳質(zhì)密封材料之間的磨損要低好幾個數(shù)量級。

3.4 UNCD Horigon

CVD金剛石雖然拓寬了工業(yè)金剛石的應(yīng)用范圍,但由于它的表面光滑度不夠高而又難于通過加工來提高其光滑度而限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

UNCD是納米結(jié)晶結(jié)構(gòu),其原沉積態(tài)薄膜就具有極高的表面光滑度,但仍然不能滿足某些尖端科技應(yīng)用的要求。

2009年10月,ADT公司宣稱研制出全球最光滑的CVD金剛石晶片——UNCD Horizon,其表面光滑度可與電子級硅晶片的光滑度相媲美,被視為金剛石晶片技術(shù)上一個時代的躍進(jìn),為CVD金剛石技術(shù)在電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)元器件中的應(yīng)用開辟出新的遠(yuǎn)景。

UNCD晶片的光滑度遠(yuǎn)高于普通CVD金剛石薄膜,達(dá)到10nm數(shù)量級,而UNCD Horizon晶片的光滑度可達(dá)到1nm數(shù)量級,即表面粗糙度小于1nm rm s。如此優(yōu)異的表面光滑度使它能與各種功能材料相結(jié)合,從而使工業(yè)金剛石在儲多領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)生根本性的突破,例如射頻(RF)技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等。此外,還可用作散熱材料直接結(jié)合到晶體管上,解決了半導(dǎo)體工業(yè)中一個最傷腦筋的問題,使取向附生的硅直接沉積到金剛石上。

3.4.1 CMP

應(yīng)指出的是,UNCD Horizon之所以能達(dá)到超光滑度,主要是采用了化學(xué)機(jī)械平坦化處理技術(shù),亦稱化學(xué)機(jī)械研拋技術(shù)(CM P),所謂CM P(chemical-mechanical polishing planarization)是工業(yè)上半導(dǎo)體制造技術(shù)的一種典型工業(yè)方法,用于對需加工的硅片或其它襯底材料進(jìn)行平坦化處理,實(shí)質(zhì)上就是以化學(xué)侵蝕與自由磨料研磨拋光的混合作用使材料表面達(dá)到高度平坦與光滑的工藝方法。核心技術(shù)是所使用的侵蝕性和研磨性的膠體懸浮液和拋光墊。通常拋光墊由孔隙性聚合物制成,隙孔在30～50μm之間。拋光墊表面粗糙度控制在50μm以內(nèi),在使用過程中拋光墊會受到損耗而且表面會變粗糙,必須定期加以修復(fù)。

CMP目前存在的缺陷就是晶片發(fā)生應(yīng)力破裂、弱界面有剝離現(xiàn)象、受研拋液的過度侵蝕或者仍存在研拋盲點(diǎn)。這種工藝方法應(yīng)用于UNCD晶片的加工畢竟是耗時與成本高昂的,亟待解決有關(guān)檢測技術(shù)來根據(jù)工件材質(zhì)準(zhǔn)確配制研拋液以及精確控制研拋時間。3.4.2 UNCD Ho rizon的應(yīng)用前景

UNCD Ho rizon有可能使表面聲波器件應(yīng)用于移動與無線通訊。這種器件由金剛石與高度優(yōu)化的氮化鋁壓電薄膜構(gòu)成,將低插入損耗與高品質(zhì)因素和較高頻率工作結(jié)合起來,直接與互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)主控電子線路構(gòu)成一體,從而提高整體性能。

材料的表面光滑度對制造低能耗的器件至關(guān)重要。因此超光滑度表面的金剛石晶片有可能在射頻電子器件特別是對在GHz頻率范圍內(nèi)工作的濾波器方面為工業(yè)金剛石開辟許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

美國哥倫比亞大學(xué)目前正在把UNCD Horizon應(yīng)用于毫微壓印光刻度技術(shù)(N IL)上,可將納米尺度的物形以10nm以下的分辨率壓印到基片上用于制造生物液流腔(biological floWCells)與半導(dǎo)體。由于UNCD Horizon的尺度可以小到幾個nm而仍保持著優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)以及低粘滯性和生物兼容性,所以特別適用于納米壓印模具的制作。

4 UNCD的研究與發(fā)展方向

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展把人類帶進(jìn)日新月異的物質(zhì)文明時代,而工業(yè)的高度發(fā)展又把人類推向與大自然的矛盾之中。人類正面臨著許多空前的重大問題的發(fā)生,人類的生存條件正在惡化,從而醞釀著全球新一輪科技革命或科技新突破。UNCD作為工業(yè)金剛石的新興成員,正展示出解決全球最具挑戰(zhàn)性問題的卓越性能。

4.1 應(yīng)用于醫(yī)療器具、人工器官及醫(yī)學(xué)研究

UNCD具有優(yōu)異的硬度、耐磨性、電學(xué)性質(zhì)、化學(xué)惰性、抗腐蝕性、透明性、無毒性和生物相容性,因而是迄今最理想的制作現(xiàn)代醫(yī)療器具和人工器官的材料,利用它的生物相容性、透明性、抗擦傷性(耐磨性)制作先進(jìn)的內(nèi)窺鏡和其它診療儀器的視窗等是其它材料無可匹敵的。

UNCD的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、生物相容性和無毒性使它成為現(xiàn)代制作永久人工髖關(guān)節(jié)等的首選材料,可免除對患者的再植手術(shù)。用于制作假肢假牙不但能延長使用壽命,而且提高可靠性和安全性。例如鈦鋁釩合金(TiA l4V6)是牙科與骨科治療中常用的材料,利用UNCD極好的粘附性沉積生長在其上,不但提高了表面光滑度、硬度和耐磨性,還具有生物相容性和無毒性。

UNCD用于制作人工心臟也是十分理想的鍍層材料,特別是UNCD除了具有上述優(yōu)良特性之外,還具有極高的表面光滑度,因此應(yīng)用于人工心臟尤其是嬰兒人工心臟,可使血流阻力隆至極小,避免血液凝結(jié),可減少或不用血液稀釋劑,改善患者血液循環(huán)。目前使用的嬰幼兒人工心臟只有一顆5號電池大小,其血液通道很細(xì)小,極易發(fā)生血液凝結(jié),采用UNCD,問題可徹底解決。

UNCD的優(yōu)異表面光滑度與導(dǎo)電性等特性的結(jié)合將為微電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用于人工器官與醫(yī)療器具的設(shè)計(jì)與研制帶來革命性的發(fā)展。

在醫(yī)學(xué)研究方面,UNCD可用于制造生物液流腔。這是生物標(biāo)本活體內(nèi)紅外線顯微分光鏡檢查的一種手段,在受控的水環(huán)境下對活體生物標(biāo)本進(jìn)行紅外線檢測,可達(dá)到很高的空間分辨率。這種液流腔是用亞微米厚的金剛石薄膜制作視窗,球面差與染色單體畸變都很小。金剛石在整個中紅外光譜和可見光光譜范圍內(nèi)具有優(yōu)異的傳送性能與極小的色散性。與目前使用的紅外液流腔相比,金剛石制作的液流腔外形小,可使高分辨率或高放大率的顯微鏡物鏡以近距離工作。

4.2 應(yīng)用于M EM S生物傳感器

由于個別工業(yè)發(fā)達(dá)大國圖謀掠奪他國資源以及民族矛盾、宗教沖突性,世界各地區(qū)戰(zhàn)事不斷,恐怖事件防不勝防。為了及時保護(hù)戰(zhàn)場前線士兵與后方人員等的人身安全,使其避免受化學(xué)毒物或傳染病菌的危害,美國國防部反恐署撥款A(yù)DT公司研制M EM S生物傳感器。采用UNCD可制成穩(wěn)定的基片用于分子生物學(xué)檢測,制成M EM S生物傳感器可實(shí)時測知水體中的化學(xué)有毒物質(zhì)或傳染病菌如大腸桿菌等等。

從另一方面講,全球地震頻發(fā),氣候反常與變暖的趨勢致使洪災(zāi)與泥石流時有發(fā)生,而大災(zāi)之后極易爆發(fā)各種傳染病,M EM S生物傳感器的研制對及時保護(hù)救災(zāi)一線人員和廣大災(zāi)民免受瘟疫的危害也具有重要作用。

4.3 應(yīng)用于污水凈化與清除有毒物質(zhì)

隨著全球人口的增長與工業(yè)的迅速發(fā)展,自然資源特別是水資源的大量消耗與日俱增,生活污水與工業(yè)廢水的凈化處理循環(huán)再利用是地球人亟待解決的重大問題。

用UNCD制作的微電極應(yīng)用于生物M EM S傳感器和生物M EM S部件能夠有效去除工業(yè)廢水中的有毒物質(zhì)。由于UNCD無粘滯作用、摩擦系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、極耐磨,所以制作的M EMS可靠性更高,而且UNCD可以沉積生長在各種材質(zhì)的基片上,也可與復(fù)雜的薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合成一體而具有各種功能可應(yīng)用于嚴(yán)格的工作條件下或者嚴(yán)酷的工作環(huán)境中。可以預(yù)見,UNCD在全球各國大規(guī)模污水凈化處理中的應(yīng)用前景不可估量。

4.4 應(yīng)用于表面聲波(SAW)與體聲波(BAW)器件

表面聲波(SAW)器件可用作濾波器、振蕩器和互感器等,其原理是基于聲波和能量轉(zhuǎn)換,即利用壓電材料將機(jī)械能(以表面場波形式)轉(zhuǎn)換為電能,具有廣泛的用途。

SAW器件在移動與無線通訊系統(tǒng)中具有重要作用,而且擁有廣闊的市場需求。它在無線電收發(fā)機(jī)電子電路的無線電頻率與中等頻率頻段中起著能帶濾波器(只能通過某一段頻率)的作用。它是金屬薄膜結(jié)構(gòu)沉積在壓電晶體基之上的一種被動模擬器件。

目前移動無線通訊技術(shù)發(fā)展迅速,移動無線通訊器材有著巨大的市場需求。其發(fā)展趨勢是向更高頻率(3G,4G)和更長電池壽命發(fā)展。ADT與M EM電子公司協(xié)作正在研制壓電金剛石射頻微電子機(jī)械濾波器,可望有助于上述相關(guān)問題的解決。

SAW傳感器是目前新興的SAW器件,廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè),如無線傳感器。它對運(yùn)動物體參變數(shù)的監(jiān)測具有十分重要的應(yīng)用,例如汽車運(yùn)行時發(fā)動機(jī)主軸扭矩與輪胎壓力的監(jiān)測等。有些傳感器無需工作動力,在工業(yè)上用于遠(yuǎn)距離測量蒸汽、濕度和溫度等;在醫(yī)療行業(yè)中則用于化學(xué)物的檢測。其它應(yīng)用還包括力、沖擊力、加速度、角速度、黏度、位移、流量、薄膜特性、p H值、離子雜質(zhì)、電場等的測量。由于SAW傳感器表面有較大的能量密度,所以有很高的敏感度。

目前SAW器件與SAW傳感器最常用的壓電材料為石英(SiO2)與鉭酸鋰(LiTaO3),鈮酸鋰(LiN-bO3)較少用。在價格、衰減作用、工作溫度和傳輸速度方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。但采用UNCD則更具價格優(yōu)勢,且靈敏度更高,工作更可靠,使用壽命更長。

體聲波(BAW)器件的應(yīng)用包括晶體聲學(xué)、防務(wù)電子設(shè)備如雷達(dá)、電一光和電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。BAW濾波器由于性能上的優(yōu)越性在當(dāng)今尖端移動通訊技術(shù)中正獲得越來越多的應(yīng)用。此外還可應(yīng)用于2GHz以上的微波頻率、射頻測試設(shè)備以及光網(wǎng)絡(luò)等。

4.5 應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中的機(jī)械密封與流體動力軸承

無論是在生活、工業(yè)還是科學(xué)技術(shù)中,旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的使用十分普遍,而旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開密封裝置與軸承,由于軸承無法潤滑或密封裝置不可靠而造成的機(jī)械故障或泄漏事故往往會釀成難于挽救的災(zāi)難,例如核電站泄漏、火箭等航空器燃油泄漏、化學(xué)危險品泄漏、油井泄漏等等,不但導(dǎo)致人員傷亡,設(shè)備毀壞,生產(chǎn)中斷,甚至?xí)斐蔀?zāi)難性環(huán)境污染。

采用UNCD不但能夠大幅度提高機(jī)械密封的可靠性,而且還能夠提高能效以及解決旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備無需潤滑運(yùn)轉(zhuǎn)問題。

近些年來ADT公司已生產(chǎn)出多種UNCD機(jī)械密封材料與流體動力軸承材料,最近又研制出UNCD T30高級密封材料,可與碳化硅等密封材料配套應(yīng)用于高溫、無法潤滑或高度磨損性環(huán)境中的密封。據(jù)稱,采用UNCD T30對碳化硅的旋轉(zhuǎn)密封與慣用的碳化硅對碳化硅旋轉(zhuǎn)密封相比,可降低接觸面因摩擦造成的能耗達(dá)75%。

氮化硅(Si3N4)是一種常用的高溫耐磨材料,硬度大,熔點(diǎn)高,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,若利用UNCD極好的粘附性而沉積生長在其表面,可大幅度提高其表面光滑度,同時提高耐磨性和散熱性,有可能用作特殊環(huán)境的流體動力軸承。可以預(yù)測,UNCD密封材料與流體動力軸承材料的推廣應(yīng)用將使旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的性能更加先進(jìn)。

4.6 應(yīng)用于電子頻率基準(zhǔn)儀

頻率基準(zhǔn)儀是用于提供某種穩(wěn)定頻率的儀器。聲學(xué)頻率基準(zhǔn)儀如音叉。電子頻率基準(zhǔn)儀則用于發(fā)射一定的頻率信號,即一種頻率標(biāo)準(zhǔn)源。目前世界上最穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)儀為銫原子鐘(銫頻標(biāo))和氫脈澤(受激輻射微波放大器)。長波與中波廣播電臺發(fā)出的時間信號即源于原子鐘。UNCD應(yīng)用于電子頻率基準(zhǔn)儀不但能提高性能,而且非常堅(jiān)固耐用。

4.7 應(yīng)用于先進(jìn)的原子力顯微(AFM)技術(shù)的探針

由于探針結(jié)構(gòu)材料的原因,AFM的掃描速度受到限制,在成像造影過程中往往在影像中引起熱漂移現(xiàn)象。此外,在工作過程中探針不斷磨損,分辨率很快降低。采用一般金剛石探針可克服掃描速度慢、使用壽命短、分辨率不穩(wěn)定、一致性差等缺點(diǎn)。而UNCD是超納米結(jié)晶金剛石,具有極光滑表面,用于制作探針可比其它金剛石探針更優(yōu)越。對UNCD性能的進(jìn)一步改進(jìn)有可能使探針向超細(xì)超尖、超高分辨率和超長壽命發(fā)展。

4.8 應(yīng)用于生物電子傳感器

生物電子傳感器可將被檢測物與生物工程制作的生物衍生材料或仿生材料相互作用的信息通過物理化學(xué)、光學(xué)、壓電或電化學(xué)等途徑轉(zhuǎn)換成另一種便于處理的信息。當(dāng)前使用的許多生物傳感器都是采用與有毒物質(zhì)起反應(yīng)的有機(jī)體來警示毒物的存在。UNCD生物電子傳感器具有更高的靈敏度,在環(huán)境監(jiān)測中有重要作用,如空氣中痕量有毒氣體的檢測以及水處理設(shè)施的監(jiān)測等。其它的應(yīng)用還包括:糖尿病患者的血糖檢測;農(nóng)藥(殺蟲劑)與有機(jī)磷酸酯(化肥)的檢測;空氣中傳播的細(xì)菌的檢測;河流等水體中病原體和其它污染物的檢測;生物除污(利用微生物凈化有毒廢物場或受污染水域等)的檢測;葉酸(維生素B)、生物毒(維生素H)、維生素B12與泛酸(維生素B3)等的常規(guī)分析測定(可作為微生物鑒定的一種替代方法);霉菌毒素等含毒代謝產(chǎn)物的測定以及食物中藥物殘留的測定特別是肉類、蜂蜜等所含抗生素和生長促進(jìn)劑等的測定?？傊甎NCD生物電子傳感器的應(yīng)用可惠及人類身體健康和人類生存環(huán)境的保護(hù)與改善。

4.9 應(yīng)用于下一代化學(xué)機(jī)械拋光墊(CM P pad)修整器與其它三維形狀金剛石制品

隨著集成電路制造技術(shù)的迅猛發(fā)展,對硅晶片的加工精度和表面光潔度的要求越來越嚴(yán)格。目前CM P是達(dá)到這一要求的唯一可行技術(shù)。拋光墊是CM P的關(guān)鍵部件,又是損耗件,其結(jié)構(gòu)和表面性狀決定著硅晶片的加工精度和表面質(zhì)量。但拋光墊在工作過程中表面性狀會發(fā)生改變而降低拋光效果,所以需用金剛石修整器進(jìn)行修整以恢復(fù)其性能。

AD T公司獲得美國國家科學(xué)基金會(NSF)對小型企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃撥款為半導(dǎo)體工業(yè)之需研制下一代化學(xué)機(jī)械拋光墊修整器。

AD T研制的拋光墊修整器的特點(diǎn)是具有高度可重復(fù)性的三維幾何形狀金剛石結(jié)構(gòu),以有序的微小方錐排列形成規(guī)則紋理表面,微小尖方錐的高度和節(jié)距是精心設(shè)計(jì)的,方錐底邊長只有6nm。這種修整器解決了現(xiàn)有金剛石修整器發(fā)生剝離的現(xiàn)象,不但使用壽命更長,而且性能更優(yōu)越,減少了更換拋光墊的次數(shù),從而保證了拋光墊的修整質(zhì)量并降低了成本。

ADT公司的其它二維和三維幾何形狀的金剛石結(jié)構(gòu)制品還有可能應(yīng)用于加速度計(jì)和高性能射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)(RF M EM S)器件等等。

4 后語

一言以蔽之,UNCD在尖端科技、國防工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)研究、前沿工業(yè)技術(shù)等領(lǐng)域具有十分廣闊的發(fā)展遠(yuǎn)景。

值得關(guān)注的是,金剛石干式蝕刻成形技術(shù)即電子束光刻技術(shù)和電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)的應(yīng)用可以使金剛石免除傳統(tǒng)上各種復(fù)雜而難度大的加工程序而制成二維或三維幾何形狀的金剛石結(jié)構(gòu)制品直接應(yīng)用于高精尖的微型品件之中。

UNCD作為一種高性能的新興材料的進(jìn)一步研發(fā)與推廣應(yīng)用必將使工業(yè)金剛石技術(shù)邁向另一個里程碑。

[1] www.thindiamond.com.

[2] http://www.eb evd.com.

[3] sp3 Diamond Techologies-CVD Diamond.