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(kāi)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)乃美國(guó)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?guó)家安全、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(shuō)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(shuō)它的熱導(dǎo)率、導(dǎo)電性和光學(xué)性質(zhì)都可在幾個(gè)數(shù)量級(jí)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(shí)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(lái)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(chǎng)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(zhǎng)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(wú)針孔連續(xù)膜,因而是極佳的防護(hù)材料。

2.4 無(wú)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(shí)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(wú)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(zhǎng),各有其最佳應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)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(guò)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(wèn)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(shí)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(wèn)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(cè)半導(dǎo)體表面局部的電阻分布,檢測(cè)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)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(chǔ),信息密度可達(dá)到1.6T bit/in2。有報(bào)道稱,2005年西班牙國(guó)家研究院的研究人員用氧化毫微光刻技術(shù)在幾個(gè)微米平方的硅片上刻寫(xiě)出著名作家塞萬(wàn)提斯所著《唐吉訶德》一書(shū)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(jí)電子元件如場(chǎng)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(dòng)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(zhǎng),可應(yīng)用于硅探針容易破損的場(chǎng)合,如硬質(zhì)表面成像、生產(chǎn)過(guò)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(zhǎng)了密封裝置的使用壽命;

▲在干摩擦或潤(rùn)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(jí)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(wú)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(zhǎng)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(cè)UNCD密封材料對(duì)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(shuō),SiC對(duì)SiC的摩擦系數(shù)比UNCD對(duì)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(duì)碳質(zhì)密封材料之間的磨損實(shí)測(cè)值比之α碳化硅密封材料對(duì)碳質(zhì)密封材料之間的磨損要低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(guò)加工來(lái)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(jí)硅晶片的光滑度相媲美,被視為金剛石晶片技術(shù)上一個(gè)時(shí)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(kāi)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(jí),而UNCD Horizon晶片的光滑度可達(dá)到1nm數(shù)量級(jí),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(chǔ)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(gè)最傷腦筋的問(wèn)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(duì)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(guò)程中拋光墊會(huì)受到損耗而且表面會(huì)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(guò)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(shí)與成本高昂的,亟待解決有關(guān)檢測(cè)技術(shù)來(lái)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(shí)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(dòng)與無(wú)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(lái),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(duì)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(duì)在GHz頻率范圍內(nèi)工作的濾波器方面為工業(yè)金剛石開(kāi)辟許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

美國(guó)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(gè)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(shí)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(wèn)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(wèn)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(wú)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(wú)可匹敵的。

UNCD的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、生物相容性和無(wú)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(duì)患者的再植手術(shù)。用于制作假肢假牙不但能延長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(hào)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(wèn)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(lái)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(duì)活體生物標(biāo)本進(jìn)行紅外線檢測(cè),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(gè)中紅外光譜和可見(jiàn)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(gè)別工業(yè)發(fā)達(dá)大國(guó)圖謀掠奪他國(guó)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(shí)保護(hù)戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)國(guó)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(cè),制成M EM S生物傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)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(shì)致使洪災(zāi)與泥石流時(shí)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(duì)及時(shí)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(zhǎng)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(wèn)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(wú)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(zhǎng)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(jiàn),UNCD在全球各國(guó)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(chǎng)波形式)轉(zhuǎn)換為電能,具有廣泛的用途。

SAW器件在移動(dòng)與無(wú)線通訊系統(tǒng)中具有重要作用,而且擁有廣闊的市場(chǎng)需求。它在無(wú)線電收發(fā)機(jī)電子電路的無(wú)線電頻率與中等頻率頻段中起著能帶濾波器(只能通過(guò)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(dòng)模擬器件。

目前移動(dòng)無(wú)線通訊技術(shù)發(fā)展迅速,移動(dòng)無(wú)線通訊器材有著巨大的市場(chǎng)需求。其發(fā)展趨勢(shì)是向更高頻率(3G,4G)和更長(zhǎng)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(wèn)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(wú)線傳感器。它對(duì)運(yùn)動(dòng)物體參變數(shù)的監(jiān)測(cè)具有十分重要的應(yīng)用,例如汽車運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸扭矩與輪胎壓力的監(jiān)測(cè)等。有些傳感器無(wú)需工作動(dòng)力,在工業(yè)上用于遠(yuǎn)距離測(cè)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(cè)。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(chǎng)等的測(cè)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(jià)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(jià)格優(yōu)勢(shì),且靈敏度更高,工作更可靠,使用壽命更長(zhǎng)。

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(dòng)通訊技術(shù)中正獲得越來(lái)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(cè)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(dòng)力軸承

無(wú)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(kāi)密封裝置與軸承,由于軸承無(wú)法潤(rùn)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(huì)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(xiǎn)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(wú)需潤(rùn)滑運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題。

近些年來(lái)ADT公司已生產(chǎn)出多種UNCD機(jī)械密封材料與流體動(dòng)力軸承材料,最近又研制出UNCD T30高級(jí)密封材料,可與碳化硅等密封材料配套應(yīng)用于高溫、無(wú)法潤(rùn)滑或高度磨損性環(huán)境中的密封。據(jù)稱,采用UNCD T30對(duì)碳化硅的旋轉(zhuǎn)密封與慣用的碳化硅對(duì)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(zhǎng)在其表面,可大幅度提高其表面光滑度,同時(shí)提高耐磨性和散熱性,有可能用作特殊環(huán)境的流體動(dòng)力軸承。可以預(yù)測(cè),UNCD密封材料與流體動(dòng)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(hào),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(zhǎng)波與中波廣播電臺(tái)發(fā)出的時(shí)間信號(hào)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(guò)程中往往在影像中引起熱漂移現(xiàn)象。此外,在工作過(guò)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(duì)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(zhǎng)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(cè)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(guò)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(lái)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(cè)中有重要作用,如空氣中痕量有毒氣體的檢測(cè)以及水處理設(shè)施的監(jiān)測(cè)等。其它的應(yīng)用還包括:糖尿病患者的血糖檢測(cè);農(nóng)藥(殺蟲(chóng)劑)與有機(jī)磷酸酯(化肥)的檢測(cè);空氣中傳播的細(xì)菌的檢測(cè);河流等水體中病原體和其它污染物的檢測(cè);生物除污(利用微生物凈化有毒廢物場(chǎng)或受污染水域等)的檢測(cè);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(cè)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(cè)定以及食物中藥物殘留的測(cè)定特別是肉類、蜂蜜等所含抗生素和生長(zhǎng)促進(jìn)劑等的測(cè)定。總之UNCD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(duì)硅晶片的加工精度和表面光潔度的要求越來(lái)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(guò)程中表面性狀會(huì)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng),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(yǔ)

一言以蔽之,UNCD在尖端科技、國(guó)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(gè)里程碑。

[1] www.thindiamond.com.

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

[3] sp3 Diamond Techologies-CVD Diamond.