1 परिचय
हीरे में उत्कृष्ट यांत्रिक, ऑप्टिकल, थर्मल और इलेक्ट्रिकल गुण होते हैं, जो इसे एयरोस्पेस, ऊर्जा, बुद्धिमान सेंसर और सटीक मशीनिंग जैसे कई उच्च तकनीकी क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाओं के साथ एक विशिष्ट बहुक्रियाशील सामग्री बनाता है [1]। हीरे की बढ़ती मांग के साथ, प्राकृतिक हीरे के भंडार सीमित और बेहद महंगे हैं, जो बढ़ती सामाजिक जरूरतों को पूरा नहीं कर सकते हैं। इसलिए, शोधकर्ता हीरे को कृत्रिम रूप से संश्लेषित करने के लिए लगातार नए तरीकों की खोज कर रहे हैं।
सिंथेटिक हीरा तैयार करने की मुख्य विधियाँ उच्च {{0}दबाव उच्च{{1}तापमान (एचपीएचटी) विधि और रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) हैं। एचपीएचटी विधि द्वारा संश्लेषित हीरे के कण ज्यादातर आकार में छोटे होते हैं और इनमें अक्सर बड़ी मात्रा में उत्प्रेरक अशुद्धियाँ होती हैं। इसलिए, उनके अनुप्रयोग का दायरा मुख्य रूप से अपघर्षक और उपकरणों (उदाहरण के लिए, पॉलीक्रिस्टलाइन डायमंड, पीसीडी) तक सीमित है [2]। हाल के वर्षों में, रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) तकनीक एक अत्यधिक आशाजनक अनुसंधान हॉटस्पॉट के रूप में उभरी है। सीवीडी द्वारा तैयार किए गए हीरे के क्रिस्टल में अनाज के आकार और क्रिस्टल आकार प्राकृतिक हीरे के सबसे करीब होते हैं और उत्कृष्ट गुण प्रदर्शित करते हैं [3]।
2 सीवीडी द्वारा डायमंड फिल्म्स की तैयारी
सीवीडी विधि रासायनिक तरीकों से पतली फिल्में तैयार करने की एक प्रमुख तकनीक है। विभिन्न पतली फिल्म सामग्रियों की तैयारी में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया गया है और यह हीरे की फिल्मों के निर्माण के लिए भी एक महत्वपूर्ण विधि है। हाल के वर्षों में, सीवीडी द्वारा हीरा फिल्म संश्लेषण पर अनुसंधान तेजी से आगे बढ़ा है, और अब बड़े पैमाने पर उत्पादन और अनुप्रयोग क्षमताएं हासिल की गई हैं।
2.1 विकास तंत्र [4]
हीरे के सीवीडी संश्लेषण में आम तौर पर परमाणु हाइड्रोजन उत्पन्न करने के लिए कम करने वाले वातावरण में ऊर्जा का उपयोग करके कार्बन युक्त पूर्ववर्तियों को विघटित करना शामिल होता है, जो हीरे के विकास को सुविधाजनक बनाता है। विकास प्रक्रिया में विशेष रूप से निम्नलिखित बुनियादी चरण शामिल हैं: (1) अग्रदूत (सीएच₄ द्वारा उदाहरण) को सीवीडी रिएक्टर में पेश किया जाता है; (2) गैसीय अग्रदूत ऊर्जा (प्लाज्मा या तापीय ऊर्जा) द्वारा मुक्त कणों (CₓHᵧ, आदि) में विघटित हो जाता है; (3) मुक्त कण सब्सट्रेट सतह तक पहुंचने तक एक दूसरे से टकराते हैं; (4) मुक्त कण सब्सट्रेट सतह पर सोख लेते हैं; (5) अधिशोषित मुक्त कण विघटित होकर सक्रिय कार्बन प्रजाति बनाते हैं और सतह पर फैल जाते हैं; (6) सक्रिय प्रजातियाँ हीरे की जाली बनाती हैं; (7) गैर-सक्रिय प्रजातियाँ (जैसे हाइड्रोजन) सतह से सोख लेती हैं, जिससे हाइड्रोजन अणु या अन्य उप-उत्पाद बनते हैं; (8) - द्वारा उत्पाद सीमा परत के माध्यम से सतह से दूर फैल जाते हैं और अंततः थोक गैस प्रवाह द्वारा हटा दिए जाते हैं।
2.2 तैयारी तकनीकें
1980 के दशक में सीवीडी हीरे की तैयारी के उद्भव के बाद से, शोधकर्ताओं ने गहन अध्ययन किए हैं, जिससे विभिन्न सीवीडी विधियों का विकास हुआ है [5]। वर्तमान में, परिपक्व हीरे की फिल्म तैयार करने की तकनीकों में हॉट फिलामेंट सीवीडी (एचएफसीवीडी), माइक्रोवेव प्लाज्मा सीवीडी (एमपीसीवीडी), और डायरेक्ट करंट आर्क प्लाज्मा जेट सीवीडी (डीसीपीजेसीवीडी) शामिल हैं।
2.2.1 हॉट फिलामेंट सीवीडी (एचएफसीवीडी)
एचएफसीवीडी विधि में, मीथेन (सीएच₄) और एसिटिलीन जैसी हाइड्रोकार्बन गैसों को हाइड्रोजन (एच₂) के साथ प्रतिक्रिया कक्ष में पेश किया जाता है। कक्ष में फिलामेंट का तापमान 2000 डिग्री से ऊपर है, और मिश्रित गैस को उच्च तापमान पर विघटित किया जाता है ताकि हीरे के संश्लेषण के लिए आवश्यक sp³ संकरित कार्बन रेडिकल का उत्पादन किया जा सके, जो फिर सब्सट्रेट सतह पर एक हीरे की फिल्म बनाता है [6]।
एचएफसीवीडी विधि में सरल उपकरण, उच्च फिल्म जमाव दर, आसान संचालन, कम लागत और परिपक्व तकनीक के फायदे हैं। इसका व्यापक रूप से औद्योगिक उत्पादन में उपयोग किया गया है और यह माइक्रोक्रिस्टलाइन डायमंड कोटिंग्स, नैनोक्रिस्टलाइन डायमंड कोटिंग्स, और हीरे जैसे कार्बन कोटिंग्स [2] तैयार करने के मुख्य तरीकों में से एक है। इसके नुकसान में शामिल हैं: गर्म फिलामेंट गैस को उच्च स्तर तक उत्तेजित नहीं करता है, और फिलामेंट स्वयं हीरे की फिल्म को दूषित कर सकता है; गर्म करने के दौरान फिलामेंट के विरूपण का खतरा होता है, जो जमा फिल्म की एकरूपता को ख़राब कर देता है; और फिलामेंट का जीवनकाल छोटा होता है, जिससे यह मोटी फिल्म के नमूनों के दीर्घकालिक जमाव के लिए अनुपयुक्त हो जाता है [7]।
वर्तमान में, एचएफसीवीडी का उपयोग करके हीरे की फिल्म तैयार करने पर शोध घरेलू और अंतरराष्ट्रीय स्तर पर अपेक्षाकृत परिपक्व है। हालाँकि, हीरे की फिल्म की गुणवत्ता में सुधार के लिए प्रक्रिया मापदंडों को कैसे समायोजित किया जाए, इस पर अभी और अन्वेषण की आवश्यकता है [2]। मुख्य प्रक्रिया मापदंडों में गैस प्रवाह दर और अनुपात, फिलामेंट तापमान, सब्सट्रेट प्रकार और तापमान, और प्रतिक्रिया कक्ष दबाव शामिल हैं।
2.2.2 डायरेक्ट करंट आर्क प्लाज्मा जेट सीवीडी (डीसीपीजेसीवीडी)
डीसीपीजेसीवीडी विधि चीनी शोधकर्ताओं द्वारा विकसित एक अद्वितीय सीवीडी हीरा विकास तकनीक है [4]। इसका सिद्धांत मुख्य रूप से CH₄-H₂-Ar से बनी प्रतिक्रिया गैस को प्लाज्मा में उत्तेजित करने के लिए उच्च {{2}शक्ति DC आर्क डिस्चार्ज का उपयोग करना है, जिसे बाद में सब्सट्रेट सतह पर उच्च गति से बाहर निकाल दिया जाता है, जिससे एक हीरे की फिल्म जमा हो जाती है [7]।
अन्य सीवीडी जमाव तकनीकों की तुलना में, डीसीपीजेसीवीडी में उच्चतम जमाव दर, कम डिस्चार्ज वोल्टेज, उच्च डिस्चार्ज करंट, उच्च आयनीकरण डिग्री, उच्च प्लाज्मा घनत्व और बड़े जमाव क्षेत्र के फायदे हैं। इसकी अधिकतम जमाव दर 1000 μm/h तक पहुंच सकती है, जो इसे बड़े क्षेत्र की हीरे की फिल्मों के उत्पादन के लिए उपयुक्त बनाती है। यह वर्तमान में हीरे की फिल्मों को संश्लेषित करने का सबसे तेज़ तरीका है, लेकिन इसके लिए महत्वपूर्ण उपकरण निवेश, जटिल प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है, और फिल्म की एकरूपता में अभी भी सुधार की आवश्यकता है [4]।
चीन में, विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय बीजिंग और हेबेई विज्ञान अकादमी ने संयुक्त रूप से इस तकनीक को विकसित और परिष्कृत किया है [8]। वर्तमान में, चीन में डीसी आर्क प्लाज्मा जेट तकनीक द्वारा तैयार की गई डायमंड फिल्में विदेशों में इसी विधि द्वारा उत्पादित की तुलना में गुणवत्ता और क्षेत्र के मामले में उन्नत स्तर पर हैं, और संबंधित डायमंड फिल्म उत्पाद पहले ही सुपरहार्ड टूल सामग्री के रूप में थोक में अंतरराष्ट्रीय बाजार में प्रवेश कर चुके हैं।
2.2.3 माइक्रोवेव प्लाज्मा सीवीडी (एमपीसीवीडी)
हीरे की फिल्म तैयार करने के लिए एमपीसीवीडी विधि में, माइक्रोवेव मैग्नेट्रॉन द्वारा उत्पन्न उच्च आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को एक सीमित स्थान में तीव्रता से दोलन करने का कारण बनता है। ये इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष में गैस के अणुओं और परमाणुओं के साथ तीव्रता से टकराते हैं, गैस को आयनित करते हैं और -CH₃ और H जैसे सक्रिय रेडिकल उत्पन्न करते हैं। ये सक्रिय प्रजातियां भौतिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरती हैं, सब्सट्रेट की ओर बढ़ती हैं, और फिर सोखती हैं, फैलती हैं, न्यूक्लियेट करती हैं और सब्सट्रेट की सतह पर बढ़ती हैं, अंततः एक हीरे की फिल्म बनाती हैं [9]।
एमपीसीवीडी की एक उल्लेखनीय विशेषता यह है कि माइक्रोवेव प्लाज्मा उच्च आवृत्ति वाले विद्युत क्षेत्र के माध्यम से इलेक्ट्रोड के बिना स्थिर निर्वहन प्राप्त कर सकता है, जिससे नमूना संदूषण कम हो जाता है। इसके अलावा, माइक्रोवेव जोरदार गैस दोलन का कारण बनता है, गैस को प्रभावी ढंग से सक्रिय करता है और उच्च {{2} घनत्व प्लाज्मा उत्पन्न करता है, जो उच्च गुणवत्ता वाली हीरे की फिल्मों के विकास को सक्षम बनाता है [10]। कठिनाई एक बड़े और समान जमाव क्षेत्र को बनाने में है, जो कई कारकों से प्रभावित होता है, जिसमें गुहा में विद्युत क्षेत्र वितरण, सब्सट्रेट तापमान भिन्नता, माइक्रोवेव शक्ति और सक्रिय रेडिकल्स का वितरण शामिल है। इसके अलावा, हीरे की फिल्म जमाव दर आम तौर पर डीसी आर्क प्लाज्मा जेट सीवीडी [4] से कम है।
एमपीसीवीडी की कम जमाव दर की भरपाई के लिए, विदेशी शोधकर्ताओं ने जमाव दर को बढ़ाने के लिए उपकरण की इनपुट शक्ति में लगातार वृद्धि की है। विकास के दशकों में, बिजली कुछ सौ वाट से बढ़कर लगभग 100 किलोवाट तक पहुंच गई है, जिससे जमाव क्षेत्र, जमाव दर और हीरे की फिल्मों की गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ है। एमपीसीवीडी हीरे की तैयारी पर घरेलू अनुसंधान अपेक्षाकृत देर से शुरू हुआ, लेकिन निरंतर अनुसंधान और विकास के माध्यम से, चीन ने बड़े पैमाने पर अंतरराष्ट्रीय प्रगति के साथ तालमेल बनाए रखा है, हालांकि गुणवत्ता और वाणिज्यिक अनुप्रयोगों में अंतर बना हुआ है। पिछले 20 वर्षों में, घरेलू अनुसंधान टीमों ने बड़े पैमाने पर वाणिज्यिक हीरे के विकास को आगे बढ़ाने के लिए रेज़ोनेटर डिज़ाइन पर ध्यान केंद्रित किया है [11]।
डायमंड फिल्म्स के 3 अनुप्रयोग
3.1 ऑप्टिकल अनुप्रयोग
हीरे की फिल्मों में उत्कृष्ट ऑप्टिकल गुण होते हैं, जिनमें उच्च संप्रेषण, कम अपवर्तक सूचकांक और कम प्रकीर्णन शामिल हैं। इनका उपयोग अक्सर सैन्य, संचार और उपग्रह प्रौद्योगिकी जैसे उच्च तकनीकी क्षेत्रों में उत्कृष्ट अनुप्रयोग संभावनाओं वाले ऑप्टिकल विंडो, ऑप्टिकल लेंस और अन्य घटकों को बनाने के लिए किया जाता है। हीरे की फिल्मों में उत्कृष्ट भौतिक-रासायनिक गुण होते हैं, विशेष रूप से पराबैंगनी से सुदूर अवरक्त और माइक्रोवेव रेंज तक अच्छा संचरण होता है। जब ऑप्टिकल विंडो के लिए उपयोग किया जाता है, तो वे थर्मल लेंस प्रभाव, बारिश के कटाव, रेत के कटाव और ऑप्टिकल विरूपण से प्रभावी ढंग से बच सकते हैं। इसके अतिरिक्त, हीरे की फिल्मों का उपयोग अक्सर एक्स-रे विंडो और मास्क, एक्स-रे ट्रांसमिशन लक्ष्य, ऑप्टिकल लेंस और अन्य उपकरणों में किया जाता है [12]।
3.2 थर्मल अनुप्रयोग
अतीत में, उच्च घनत्व, उच्च शक्ति और छोटी मात्रा माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास में चल रहे रुझान बन गए हैं। हालाँकि, इस प्रवृत्ति के साथ, घटकों द्वारा उत्पन्न गर्मी में काफी वृद्धि होगी। सीवीडी हीरे की फिल्मों में प्राकृतिक हीरे की तुलना में गुण होते हैं, विशेष रूप से थर्मल विस्तार का बेहद कम गुणांक, अल्ट्रा {{2} उच्च तापीय चालकता, और विद्युत इन्सुलेशन। वे आदर्श हीट सिंक सामग्री और पैकेजिंग सामग्री हैं, जो व्यापक रूप से उच्च {{4}पावर वाले लेजर उपकरणों, बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट, आरएफ पावर ट्रांजिस्टर, उच्च {{6}पावर ऑप्टिकल विंडो और अन्य उपकरणों में उपयोग की जाती हैं।
3.3 ध्वनिक अनुप्रयोग
ऑडियो उपकरणों को व्यापक रूप से अपनाने के साथ, स्पीकर की गुणवत्ता के लिए उपभोक्ताओं की मांग लगातार बढ़ी है। कार्बन फाइबर, सिरेमिक और बेरिलियम जैसी पारंपरिक डायाफ्राम सामग्री की तुलना में, हीरे की फिल्मों में कम घनत्व और उच्च लोचदार मापांक होता है। साथ ही, पॉलीक्रिस्टलाइन हीरे की फिल्मों में अनाज की सीमाएं आदर्श आंतरिक घर्षण प्रदान कर सकती हैं, जिससे उन्हें पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में कहीं बेहतर व्यापक गुण मिलते हैं, जिससे हीरा स्पीकर डायाफ्राम के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प बन जाता है। इसके अलावा, उच्च ध्वनिक वेग मीडिया का उपयोग उपकरणों की ऑपरेटिंग आवृत्ति को बढ़ाने का एक प्रमुख साधन है। हीरा वर्तमान में उच्चतम ज्ञात ध्वनिक प्रसार वेग वाली सामग्री है, जो सतह ध्वनिक तरंग (एसएडब्ल्यू) उपकरणों की ऑपरेटिंग आवृत्ति में काफी सुधार कर सकती है, आरएफ संकेतों और यांत्रिक कंपन के अंतर-रूपांतरण को सक्षम कर सकती है, और उपग्रह, मोबाइल संचार और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं प्रदान कर सकती है [10]।
3.4 विद्युत अनुप्रयोग
हीरे के विस्तृत बैंडगैप, उच्च इलेक्ट्रॉन और छिद्र गतिशीलता, उच्च विखंडन विद्युत क्षेत्र, कम ढांकता हुआ स्थिरांक, उच्च प्रतिरोधकता और उच्च तापीय चालकता के कारण, यह उच्च तापमान, उच्च पूर्वाग्रह, उच्च शक्ति और उच्च विकिरण स्थितियों के तहत संचालित होने वाले अत्यधिक एकीकृत अर्धचालक उपकरणों के लिए अत्यधिक उपयुक्त है। इसलिए, हीरे से इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक आदर्श सामग्री के रूप में सिलिकॉन की जगह लेने की उम्मीद की जाती है, जिन्हें उच्च तापमान और विकिरण प्रतिरोध जैसी कठोर परिस्थितियों में विश्वसनीय रूप से काम करना चाहिए।
3.5 बायोमेडिकल अनुप्रयोग
डायमंड फिल्में अच्छी जैव-अनुकूलता, उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों और रासायनिक स्थिरता को जोड़ती हैं, जिससे वे अगली पीढ़ी के जैव-सामग्री को अत्यधिक आशाजनक बनाती हैं। उनके बेहतर यांत्रिक गुण और रासायनिक स्थिरता हीरे लेपित प्रत्यारोपण के घिसाव और इलेक्ट्रोकेमिकल क्षरण को काफी कम कर सकते हैं। सीवीडी डायमंड फिल्मों की डोपिंग के बाद सतह की परिवर्तनीयता, जैव अनुकूलता और उत्कृष्ट विद्युत चालकता भी उन्हें बायोसेंसर के लिए उत्कृष्ट समर्थन बनाती है। अन्य समर्थनों की तुलना में, डायमंड फिल्म सब्सट्रेट्स पर आधारित बायोसेंसर उच्च स्थिरता, विश्वसनीयता और संवेदनशीलता प्रदान करते हैं।