مقدمة عن رقائق الماس: أحادي البلورية مقابل متعدد الكريستالات

تُستخدم رقاقات الماس حاليًا على نطاق واسع في الصناعات عالية التقنية بسبب صلابتها المتميزة وخصائصها الحصرية للأغراض الإلكترونية والبصرية وحتى لأغراض القطع والتلميع. وعلى وجه الخصوص، يتم تقييم رقائق الماس لمقاومتها الاستثنائية للظروف القاسية مثل درجات الحرارة العالية والإجهاد الميكانيكي الشديد. أكثر أنواع رقائق الألماس شيوعاً هي رقائق الألماس أحادية البلورية ومتعددة البلورات، وكلا النوعين لهما بعض الخصائص والمزايا المميزة في استخدامات معينة.

ما هي رقائق الألماس؟

رقاقة الألماس عبارة عن قطعة رقيقة ومسطحة من مادة الألماس الاصطناعي، يتم تحضيرها عموماً بعمليات مثل طرق CVD أو HPHT. يتم تقطيع هذه الرقائق إلى حجم محدد وتستخدم بشكل أساسي كركائز في مختلف التطبيقات الصناعية والعلمية. تجعل الصلابة والتوصيل الحراري للماس مادة قابلة للاستخدام بشكل مثالي في المجالات التي قد تفشل فيها المواد التقليدية.

الشكل 1 رقاقة ألماس CVD

رقائق الألماس الأحادية البلورية

تُصنع رقاقة الألماس الأحادية البلورية من بلورة ألماس واحدة متصلة. وبعبارة أخرى، يتم إنتاج الرقاقة بأكملها من بنية واحدة موحدة حيث تصطف جميع الذرات بالطريقة نفسها. هذا التوحيد يمنح الماس أحادي البلورية خصائص فريدة من نوعها، بما في ذلك:

- التوصيل الحراري العالي: كفاءاته العالية في الإدارة الحرارية تجعل الماس أحادي البلورية مثاليًا للتطبيقات في الإلكترونيات عالية الطاقة أو تبديد الحرارة البسيطة.

- قوة ميكانيكية عالية: يتمتع الألماس أحادي البلورية بقوة عالية استثنائية بسبب بنيته البلورية، ما يجعله فعالاً جداً في تطبيقات مثل القطع والطحن والحفر.

- الوضوح البصري: يمكن استخدام هذه الرقاقات في البصريات الدقيقة، نظراً لقدرتها على نقل الضوء بأقل قدر من التشويه. وهذا يوفر فوائد كبيرة في تكنولوجيا الليزر ومعدات التصوير المتخصصة.

يستغرق نمو الألماس أحادي البلورية وقتاً أطول بكثير ويستغرق نموه وقتاً أطول بكثير من الأشكال الأخرى، لكن المنتج النهائي يجد طلباً قوياً للغاية في تطبيقات الأداء الحرجة مثل تصنيع أشباه الموصلات المتطورة والحوسبة الكمية، وحتى في مجال الفضاء.

تطبيقات رقائق الماس أحادية البلورية:

• الإلكترونيات عالية الأداء: تُستخدم في أجهزة الطاقة والمشتتات الحرارية.
• صناعة أشباه الموصلات: كركائز لأجهزة أشباه الموصلات المتقدمة.
• البصريات والليزر: وتشمل نوافذ الليزر والعدسات عالية الدقة.
• القطع والحفر الصناعي يتضمن الأدوات التي تتطلب مستويات قصوى من مقاومة التآكل.

رقائق الماس متعدد الكريستالات

من ناحية أخرى، يتم تصنيع رقائق الألماس متعدد الكريستالات من خلال تجميع بلورات الألماس التي يتم دمجها معاً. وعلى الرغم من أن هذه البلورات، على الرغم من أنها من الماس، إلا أنها ليست مصفوفة في بنية واحدة متصلة. والنتيجة هي مادة تختلف في خواصها الميكانيكية والحرارية مقارنةً بالماس أحادي البلورية.

الشكل 2 الألماس متعدد الكريستالات [1]

تشمل السمات الرئيسية لرقائق الألماس متعدد الكريستالات ما يلي:

- تكلفة أقل: عادةً ما يكون الألماس متعدد الكريستالات أقل تكلفة من نظرائه أحادي البلورة، وذلك بسبب عملية النمو الأكثر كفاءة. وهذا يجعل رقائق الألماس متعدد الكريستالات في نهاية المطاف خياراً اقتصادياً للعديد من التطبيقات.

- قوة كاشطة عالية: على الرغم من أنه لا يحتوي على بنية أحادية البلورة، إلا أن الماس متعدد الكريستالات قوي للغاية وبالتالي يجد استخداماً واسعاً في القطع والطحن والحفر حيثما تكون مقاومة التآكل العالية مطلوبة.

- تعدد الاستخدامات: إن مجالات تطبيق الماس متعدد الكريستالات أوسع بكثير بسبب مرونته في الإنتاج وكفاءته من حيث التكلفة.

ومع ذلك، تميل رقائق الألماس متعدد الكريستالات إلى امتلاك توصيل حراري أقل ووضوح بصري أقل من نظيراتها من الألماس أحادي البلورية. وبالتالي، لا يمكن استخدامها في البصريات عالية الدقة أو عند الحاجة إلى إدارة فائقة للحرارة.

تطبيقات رقائق الماس متعدد الكريستالات:

• أدوات القطع الصناعية: تُستخدم في الأدوات المستخدمة في التصنيع الآلي والتعدين والاستخدامات الكاشطة الأخرى.
• المشتتات الحرارية: حيث تكون الموصلية الحرارية العالية أقل ضرورة.

• الطلاءات المقاومة للتآكل للمكونات التي تعمل في ظروف بيئية قاسية.

المقارنة: رقائق الماس أحادية البلورية مقابل رقائق الماس متعددة البلورات

إليك جدول مقارنة منقح مع هيكل أوضح ونقاط بيانات محددة عند الاقتضاء:

النتائج الرئيسية

• التوصيل الحراري: الماس أحادي البلورية متفوق جداً في تبديد الحرارة، مما يجعله مثالياً للإلكترونيات عالية الطاقة أو البيئات التي تتطلب إدارة فعالة للحرارة.
• القوة الميكانيكية: على الرغم من قوة كلا النوعين، إلا أن الألماس أحادي البلورية يتفوق على الألماس متعدد الكريستالات من حيث التناسق وقوة الشد.
• كفاءة التكلفة: رقاقات الألماس متعدد الكريستالات أكثر فعالية من حيث التكلفة، ما يجعلها خياراً جذاباً للتطبيقات الصناعية حيث لا يكون الأداء النهائي بالغ الأهمية.
• الوضوح البصري: يتفوق الألماس أحادي الكريستال في مجال البصريات بسبب بنيته البلورية المنتظمة، في حين أن الألماس متعدد الكريستالات أقل شفافية.

الخلاصة

عادةً ما يعتمد الاختيار بين رقائق الألماس أحادية البلورية ومتعددة البلورات على عدد من احتياجات التطبيق المحددة. ويُعدّ الألماس أحادي البلورية أفضل بكثير للتطبيقات عالية الدقة في تصنيع أشباه الموصلات والإلكترونيات المتقدمة والبصريات بسبب أدائه المحسّن في التوصيل الحراري والقوة الميكانيكية. أما رقائق الألماس متعدد الكريستالات فهي مناسبة للحالات التي تتطلب المتانة لتطبيقات مثل القطع والحفر الصناعي.

ومع زيادة تحسن الأبحاث والتكنولوجيا، سيستمر الدور الذي ستلعبه رقائق الألماس في العديد من الصناعات في الازدياد، ما يجعل هذه المواد لا غنى عنها في تطوير تقنيات أكثر كفاءة وقوة وتعقيداً. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] Sobolev, Nikolay & Tomilenko, A. & Bul'bak, Taras & Logvinova, Alla. (2019). تركيبة الهيدروكربونات في الماس والعقيق والأوليفين من البيريدوتايت الماسي من أنبوب أوداتشنايا في ياقوتيا، روسيا. الهندسة. 5. 10.1016/j.eng.2019.03.002.