GYÉMÁNT
Szén módosulatok
Nem gyémánt, nem grafit, fullerén
Felépítésük
Típus 1
Típus 2.
Szupravezető fullerén
Gyémánt tulajdonságok Ékszer: optikai átlátszóság, nagy törésmutató, ritkasága miatt drága 500 USD/g (arany 12-8 USD/g) Tulajdonság Vickers keménység (kp/mm2) Súrlódási együttható
Rétegként való alkalmazás 12-15000 Szerszámok, polirozás, csapágyak 0,1 „contact recording” Mágneses adattárolók 2 12 Young modulus (N/mm ) 1,2*10 Nagyfrekvenciás hangszóró membrán Hangsebesség (km/s) 18,2 7 Letörési szilárdság (V/mm) 10 Nagyfeszültségű szigetelések Hővezetés (W/cmK)* 20 Hőnyelők (3D packaning” Negatív elektronaffinitás (eV) -1 hidegkatód Kémiai ellenállóképesség** Sav/bázis/szerves Reaktorok, szenzorok, orvosi műszerek, protézisek borítása Biokompatibilás Átlátszósági tartomány (µm) 0,22-2, >6 Optikai elemek védőborítása, antireflexiós réteg, mikrohullámú Törésmutató 2,4 és röntgenablakok, infravörös szűrők Tiltott sáv (eV) 5,45 Teljesítményelektronika, magas működési hőmérséklet, sugárzási Elektron/lyuk mozgás 22/16 keménység, optoelektronika, LED Dielektromos állandó 5,5 Lumineszcencia (µm) 0,44, 0,52 *A legjobb hővezető **mintegy 700 oC-ig minden kémiai hatásnak, és sugárzásnak is
Klc=0,5-2 MPam1/2
Kovalens kötés: 14 eV, Sűrűség 3,01-3,56 g/cm3 (műgyémánt)3,48-3,54
Relatív keménység
1. Kemény fém szerszámok mikron alatti szemcse- méret 2. Mikromegmunkálások, kis méretekben kell megmunkállnni, pontosság 3. Rideg anyagok megmunkálása Kerámiák, üvegek
-Köszörülés -Vágás -Leppelés
Színtelen gyémánt
Zárványok: • • • • • • • •
Grafit Ilmenit Hematit Kromit Magnetit Pirit Gránát Cikron
• • • • • • •
Diopszid Kvarc Topáz Rutil Klorit Folyadék Gáz
C fázisdiagram
• A szén fázisdiagramja • • • •
• • •
Normál hőmérsékleten és nyomáson a grafit rács a stabil (gyémánt több ezer fok, több száz GPa nyomás földkéregben így jött létre) Gyémántlelőhelyek: India (18. század közepéig egyedül), Brazília 1725, Dél-Afrika 19. század vége. Ausztrália 1851, Szibéria, Amerika, Borneó szintén jelentős a gyémántbányászat Kb 0,5 karát/tonna a gyémánttartalom. A legnagyobb gyémánt 621,2 g KARÁT (növényi mag) kb. 0,2 g A bányászott gyémánt 20-25%-a ékszerkészítésre alkalmas (értékben 70%)
• Mesterséges előállítás: elve az 1890-es években a francia Henry Moisson (vastartalmú meteoritban gyémántot találtak-nagy hőmérsékleten a grafit oldódottföldre ütközve nagy nyomás, majd a gyors hűtés hatására a szén gyémánt formában kivált) • General Electrics 1954-ban 75000atm nyomáson 3000oC-on állítottak elő • ASEA 1953-ban, de nem publikálták • Elvük hasonló, keményfém szegmensszerszámban (Kijevi Nagykeménységű Anyagok Kutatóintézetével MTAT évekig állított elő mesterséges gyémántot (mm-es nagyságig) • 1961-ben a Chicagói Egyetem és a Du Pont robbantásos szintézissel. • Lehetőség van műgyémánt előállítására 2000 fokon 50100 GPa nyomáson átmeneti fém magképződési centrummal és katalizátorral. • Évi kb. 30-40 tonna mesterséges gyémántport állítanak elő. (GE, Sumitomo Electrics, Dél afrikai De Beers
Mesterséges ASEA (1953)
GE 1954
• Lehetséges-e a metastabil gyémántkristály előállítása normál körülmények között, hiszen a grafit és a gyémántkristály közti szabadentalpia kicsi 2,9 kJ/mol, atomonként 0,03 eV. Különbség köztük alapvetően a szénatomok elektronjainak elrendeződésében van. (A grafitban az elektronok három sp2-nek nevezett hidridnek és egy pz-nek nevezett pályán rendeződnek, a gyémántban négy sp3 hidrid alakul ki. A grafitban tehát a szénatomok három, síkban elhelyezkedő másik szénatomhoz kötődnek (pz elektronok biztosítják a fémes vezetést), a gyémánt viszont minden szénatomnak négy szomszédja van tetraéderes elrendeződésben.
• A szén grafit vagy gyémánt alakban kristályosodásának alapvetően nem energetikai, hanem kinetikai oka van. (energetikai alapon gáz állapotból csaknem ugyanúgy keletkezne gyémánt, mint grafit csak a gyémánt grafittá alakul. • Ismert, hogy a kristályos gyémánt atomi méretben tiszta felületén a negyedik szomszéd hiányában a gyémántréteg grafittá alakul. Ha hidrogénatomot kapcsolunk erre a helyre, a felületi atomok megtartják gyémántbeli elrendeződésüket. Így a gyémántban a hidrogénezett felület energiája már a gyémántban kisebb, mint a grafitban. A különbség 1,4 eV atomonként. Tehát a metastabil gyémántszintézis hidrogén jelenlétében a szén gázfázisból felületi rétegként való leválasztása során remélhető. CVD, vagy PVD gőzleválasztás (vapour deposition) módszerek jöhetnek szóba.
• A mai szokásos eljárás gyakorlati kivitelét az USA-ban , elméletét a SZu-ban , mai sikeres alkalmazását Japánban fejlesztették ki. Az eljárás CVD eljáráson és a grafit sp2 résznek atomos hidrogénben történő elmaratásának egyesítéséből alakult ki. • Recept: 1 rész szénhidrogén (többnyire metán, de lehet más is pl. acetilén) és 99 rész hidrogén, de lehet a szént és a gyémántot szelektíven maró más anyag is pl. atomos oxigén. Kell hőforrás is a disszociációhoz. A rétegnövekedési sebességet például mikrohullámú plazmával segítik (MW-PECVD) eljárás. • Ezek a rétegek hővezetésben messze elmaradnak a tökéletes rácsok értékeitől, szigetelési tulajdonságai kiválóak
CVD bevonatkészítő berendezés
BME Atomfizika Tsz. Gyémántréteg készítése
Ipari felhasználás • • • • • • • • • •
Esztergakések Üvegvágók Korongegyengető gyémántszerszámok Diaform szabályzók Keménységmérő csúcsok Tűreszelők Reszelők Vágókorongok Fúrók Gyémánt paszták
