Come garantire la purezza dei diamanti sintetici creati per deposizione chimica da vapore

I diamanti sintetici sono creati e utilizzati in tutto il mondo, per applicazioni simili ai diamanti naturali. Recentemente, il metodo di usare la deposizione chimica da vapore (CVD) per far "crescere" i diamanti in condizioni di laboratorio è diventato più comune.

Anche se più costoso della tecnica tradizionale ad alta pressione e alta temperatura (HPHT), CVD produce la migliore qualità di diamanti sintetici possibile in un tempo relativamente breve. I diamanti HPHT sono per lo più di tipo industriale, mentre i diamanti CVD di alta qualità sono adatti anche alla gioielleria.

Un accurato controllo delle tracce di impurità nel metano e nell'idrogeno ad alta purezza è fondamentale per garantire la qualità e il grado dei diamanti sintetici creati per deposizione chimica da vapore. Questo si ottiene al meglio usando un gascromatografo di processo altamente accurato per rilevare tracce di azoto nella materia prima. Anche le misurazioni di tracce di ossigeno e di umidità sono spesso necessarie per alcuni processi CVD per garantire la purezza del metano e dell'idrogeno.

Come fa la deposizione chimica da vapore a far crescere i diamanti sintetici?

La tecnica della deposizione chimica da vapore usa una miscela di gas idrocarburi per creare un plasma di carbonio su un substrato, sul quale gli atomi di carbonio si depositano e e si accumulano per formare una struttura cristallina.

Dai primi anni '80, questo metodo è stato oggetto di un'intensa ricerca a livello mondiale. La crescita CVD comporta la preparazione del substrato, alimentando quantità variabili di gas in una camera e dandogli energia.

Il silicio è spesso usato come substrato perché ha un orientamento cristallografico adatto. Questo substrato viene poi pulito usando una polvere di diamante abrasiva per preparare la superficie per la deposizione degli atomi di carbonio. Anche se il CVD è un metodo chimico, sono ancora necessarie alte temperature per produrre il plasma e il substrato viene riscaldato a circa 800 °C.

Il metano ad alta purezza è il gas più comunemente usato come fonte di carbonio per i diamanti sintetici. Questo viene miscelato con idrogeno UHP in uguali in un rapporto di 1:99.

L'idrogeno è essenziale per il processo perché incide selettivamente il carbonio non diamantato. Affinché la reazione abbia luogo, i gas vengono ionizzati in radicali chimicamente attivi. Questo avviene all'interno della camera di crescita usando una fonte di energia come le microonde o un filamento caldo.

Il grado dei diamanti e la velocità di produzione dipendono dalla purezza delle materie prime di metano e idrogeno, ed è qui che è necessario un analizzatore di impurità in traccia altamente accurato, come un gas cromatografo di processo. Questo tipo di strumento ha la sensibilità per misurare tracce di N2 fino a 0,5 ppb, con una ripetibilità dello 0,1%.

Per un'analisi completa delle impurità in tracce sono necessarie più misurazioni, il LDetek MultiDetek3 è raccomandato in quanto ha la capacità di monitorare più flussi di gas per diverse impurità contemporaneamente, offrendo essenzialmente la capacità di due GC in uno.

In alcuni processi CVD sono richieste anche analisi di tracce di O2 e tracce di umidità per garantire la purezza dei gas additivi e della miscela idrogeno/metano e il MultiDetek3 può essere configurato per acquisire tutte queste misurazioni come segue:

Canale 1:

Il primo canale è configurato con un rivelatore di emissioni al plasma (PED), utilizzando elio o argon come gas vettore a seconda delle preferenze dell'utente. Il rivelatore al plasma è montato con un filtro ottico selettivo per misurare N2 e un altro filtro per misurare O2. Queste due impurità possono quindi essere misurate senza essere influenzate dal gas di fondo o da altre molecole di gas di interferenza.

Il campione viene semplicemente iniettato attraverso una colonna di setaccio molecolare e le impurità O2-N2 vengono misurate dal rilevatore di emissioni al plasma. Utilizzando questo metodo, le impurità possono essere misurate da basse ppb fino a ppm nelle miscele di gas necessarie contenenti He/Ar/H2/CH4. Lo stesso rilevatore di emissioni al plasma (PED) può essere utilizzato anche per misurare le tracce di ammoniaca (NH3) in ppb/ppm nelle diverse miscele di gas. Verrà utilizzato un percorso di flusso cromatografico separato utilizzando le colonne capillari appropriate.

Canale 2:

Il secondo canale è montato con un sensore a cristallo di quarzo in grado di misurare tracce di umidità da ppb a ppm in continuo. Il gas campione è regolato con il suo regolatore di flusso di massa e misurato dal sensore. Il MultiDetek3 GC ha un dispositivo di calibrazione incorporato per la permeazione dell'umidità che convalida periodicamente il sensore a cristallo di quarzo.

Con il MultiDetek3, il LDGSS Stream Selector System commuta automaticamente tra i flussi di gas, e si inserisce nel sistema LDRack insieme al MultiDetek3 per fornire una soluzione compatta per la produzione di diamanti sintetici mediante deposizione chimica da vapore. sintetico utilizzando la deposizione chimica da vapore.

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