تبلیغات
برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات. - نیمه رسانایی بنام الماسDiamond

برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

نیمه رسانایی بنام الماس
مگان سور

كیوان فیض اللهى

شاید به زودى تصور متداول درباره الماس ها، به كلى دگرگون شود. الماس هایى كه به خاطر زیبایى، كمیاب بودن و زمان طولانى تولیدشان ارزش فوق العاده اى داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانى حدود یك ساعت به وجود مى آیند. اینكه این دگرگونى چه تاثیرى در صنعت جواهرسازى یا قیمت الماس هاى طبیعى در بازار خواهد داشت هنوز در پرده اى از ابهام است. اما درباره نقش این الماس هاى آزمایشگاهى در تكنولوژى، شایعه هایى برخاسته از مجامع علمى به گوش مى رسد.

بیشتر از هشتاد درصد از الماس هاى معدنى طبیعى به مصارف صنعتى از قبیل ابزارهاى برش یا مواد ساینده براى تراشكارى و پرداخت دیگر سنگ هاى قیمتى، فلزات، گرانیت و شیشه مى رسند. استفاده از الماس به عنوان نیمه رسانا نیز نیازمند شرایط ویژه اى مثل بالاترین درجه خلوص، بهترین بلورینگى و تعیین اتم ها به لحاظ الكتریكى فعال براى ایجاد گذرگاه الكتریكى در وسیله مورد نظر است. اما تمامى الماس هاى طبیعى به خاطر نقص ها، ناخالصى ها و ساختار ضعیف شان براى مصارف الكترونیكى نامناسبند. حتى با اینكه الماس هاى مصنوعى و طبیعى داراى كیفیت جواهرى بسیار ارزشمند هستند، اما ممكن است به خاطر رگه هاى ناچیز ناخالصى ها براى استفاده به عنوان نیمه رسانا مناسب نباشند. در واقع تنها خالص ترین این سنگ ها در كاربردهاى الكترونیكى پرقدرت از سلفون ها گرفته تا كامپیوترهاى شخصى و خطوط ارتباطاتى قابل استفاده اند.

به گفته جیمز باتلر (J.Butler)، یكى از شیمیدانان محقق در آزمایشگاه تحقیقات نیروى دریایى ایالات متحده، به لحاظ تاریخى سه مشكل عمده سر راه استفاده از الماس هاى طبیعى در كاربردهاى الكترونیكى وجود داشته است. الماس هاى طبیعى همیشه به شكل بازدارنده اى براى استفاده همه جانبه گران بوده اند و یافتن سنگ هاى بزرگ با خلوص كافى نیز بسیار دشوار است. علاوه بر این هیچ دو سنگى دقیقاً شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد در هر یك مى تواند مشكلاتى را در مدارهاى الكترونیكى به بار آورد. آخرین مشكل در استفاده از الماس براى كاربردهاى الكترونیكى و كامپیوترى نیز نیاز به دو نوع الماس یعنى سنگ هاى نوع n و p براى هدایت الكترونیكى بوده است.

در دستگاه هاى مجتمع باید از هر دو نوع الماس نیمه رساناى n و p، استفاده كرد اما الماس هاى نوع n به طور طبیعى وجود ندارند و الماس هاى نوع p الماس آبى، به قدرى نادرند كه هیچ راه مقرون به صرفه اى براى استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماس هاى مصنوعى این مشكلات را برطرف مى كنند. به گفته رابرت لینارس (R.Linares)، بنیان گذار كمپانى آپولو دیاموند براى مثال مى توان با افزودن ناخالصى فلز برون به الماس، نوع P یعنى الماس آبى را تولید كرد. به طور مشابه دانشمندان مى توانند با افزودن فسفر به الماس هاى بى رنگ، الماس نوع n را نیز تولید كنند. ما براى استفاده از الماس به نوع نیمه رسانا در دستگاه هاى الكترونیكى پرقدرت نیاز به تركیبى لایه اى از این دو نوع الماس داریم. علاوه بر این با توجه به اینكه الماس هاى بى رنگ خالص در عمل بیشتر از آنكه رسانا باشند عایق هستند، مى توان لایه هایى از آنها را به این تركیب افزود.

امروزه نیمه رساناهاى بسیارى مثل سیلیكون در گستره وسیعى از دستگاه هاى الكترونیكى به كار مى روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتى و سرعت فوق العاده بیشترش، تنها در مقایسه با خلاء است كه عنوان دومین نیمه رساناى برتر جهان را به خود اختصاص مى دهد. الماس با داشتن چنین ویژگى هایى و به خصوص امروز كه آزمایشگاه قادر به تولید سنگ هاى خالص و ناخالص كنترل شده اند، مى تواند پایه گذار انواع سراسر نوینى از دستگاه هاى الكترونیكى پرقدرت باشد. با اینكه استفاده از الماس در صنایع الكترونیك به چند دهه دیگر واگذار شده است اما به اعتقاد لینارس این سنگ قیمتى صنایع نیمه رساناسازى را به كلى دگرگون خواهد كرد.

الماس به طور طبیعى تحت فشارهاى زیاد اعماق زمین و در زمانى طولانى شكل مى گیرد. اما در آزمایشگاه مى توان به كمك دو فرآیند مجزا در زمانى بسیار كوتاه تر الماس تولید كرد. فرآیند فشار بالا _ دما بالا (HP HT) اساساً تقلیدى است از فرآیند طبیعى شكل گیرى الماس در حالى كه فرآیند رسوب گیرى بخار شیمیایى (CVD) دقیقاً خلاف آن عمل مى كند. در واقع CVD به جاى وارد كردن فشار به كربن براى تولید الماس با آزاد گذاشتن اتم هاى كربن به آنها اجازه مى دهد با ملحق شدن به یكدیگر به شكل الماس درآیند.

این دو تكنیك براى اولین بار در دهه 1950 كشف شدند. به گفته باتلر كه هفده سال روى تولید الماس با استفاده از تكنیك CVD كار كرده است «از آنجا كه پیشگامان تولید الماس بدون فشار بالا در دهه 1950 با تمسخر سایرین از میدان به در شدند. تكنولوژى CVD هنوز دوران كودكى اش را سپرى مى كند.» هر دو فرآیند قادرند با سرعتى خیره كننده الماس هایى با كیفیت جواهر تولید كنند اما در نهایت این فرآیند CVD است كه به خاطر كنترل ساده ناخالصى و اندازه محصول براى تكنولوژى هاى الكترونیكى مناسب ترین خواهد بود.

فرآیند CVD با قرار دادن ذره بسیار كوچكى از الماس در خلأ آغاز مى شود. سپس گازهاى هیدروژن و متان به محفظه خلأ جریان مى یابند. در ادامه پلاسماى تشكیل شده باعث شكافته شدن هیدروژن به هیدروژن اتمى مى شود كه با متان واكنش مى دهد تا رادیكال متیل و اتم هاى هیدروژن به وجود آیند. رادیكال متیل نیز به ذره الماس مى چسبد تا الماس بزرگ شود. رشد الماس در تكنیك CVD، فرآیندى خطى است، بنابراین تنها عوامل محدودكننده اندازه محصول در این روش بزرگى ذره ابتدایى و زمان قرار دادن آن در دستگاه است.

به گفته دیوید هلیر (D.Hellier)، رئیس بخش بازاریابى كمپانى ژمسیس، «فرآیند HP HT نیز با ذره كوچكى از الماس آغاز مى شود. هر ذره الماس در محفظه هاى رشدى به اندازه یك ماشین لباسشویى، تحت دما و فشار بسیار بالا درون محلولى از گرانیت و كاتالیزورى فلزى غوطه ور مى شود. در ادامه تحت شرایط كاملاً كنترل شده اى این الماس كوچك به تقلید از فرآیند طبیعى، مولكول به مولكول و لایه به لایه شروع به رشد مى كند.» گرچه جنرال الكتریك در تولید الماس ها به این روش پیشگام است و الماس هاى ساخته شده با تكنیك HP HT را براى مصارف صنعتى به بازار عرضه مى كرد اما تا پیش از آنكه كمپانى ژمسیس با ساده سازى این فرآیند امكان تولید نمونه هایى با كیفیت جواهر را فراهم كند، هرگز آن الماس ها به عنوان سنگ هاى قیمتى به فروش نرسیده بودند.

امروز هر دو كمپانى آپولو دیاموند و ژمسیس الماس هاى جواهرى مى فروشند. این الماس هاى «پرورشى» با قیمتى بسیار پایین تر از الماس طبیعى به فروش مى رسد. به گفته هلیر «كمپانى ژمسیس از سال 2003 الماس هاى مصنوعى را با قیمت یك چهارم تا یك پنجم قیمت نمونه طبیعى به بازار عرضه مى كند كه از لحاظ رنگ، شفافیت، برش و قیراط مشابه سنگ هاى قیمتى طبیعى است. در واقع الماس هاى زینتى مصنوعى بخش كوچك و در عین حال پرسودى از صنعت الماس را تشكیل مى دهند. این الماس هاى رنگى كه در مقایسه با همتاهاى بى رنگ شان فوق العاده كمیاب و در نتیجه بسیار گران بها ترند با توجه به نوع ناخالصى ها در رنگ هاى گوناگون از قرمز و صورتى گرفته تا آبى، سبز و حتى زرد روشن و نارنجى تولید مى شوند. به گفته لینارس: «گرچه آپولو دیاموند به زودى الماس هایى به رنگ آبى، صورتى و مشكى را عرضه خواهد كرد اما این كمپانى با فروش الماس هاى بى رنگ مسیر متفاوتى را در پیش گرفته است.» در واقع این الماس ها مى توانند چنان كیفیت بالایى داشته باشند كه حتى ماشین هاى ساخته شده براى تشخیص سنگ هاى مصنوعى از طبیعى در تفكیك شان از یكدیگر دچار مشكل شوند، همان طور كه امروزه برخى از بزرگ ترین الماس فروشان در صنعت نیز به زحمت از پس آن برمى آیند. شباهت فوق العاده نمونه هاى مصنوعى و طبیعى باعث شده است تا تاجران الماس براى تشخیص الماس هاى رنگى مصنوعى از سنگ هاى طبیعى دست به دامن آزمایشگاه هاى الماس بلژیك و دیگر نقاطى شوند كه به طور سنتى عهده دار تجزیه و تحلیل و تایید الماس ها از نظر بزرگى قیراط، رنگ و شفافیت هستند. به گفته جف ون روین (J.Van Royen)، یكى از فیزیكدانان شوراى عالى الماس آنتورپ «وظیفه ما حمایت از انجمن هاى الماس با یافتن شیوه هایى براى شناسایى الماس هاى مصنوعى و دست كارى شده است و با تكنولوژى فعلى مان كاملاً مطمئن هستیم كه مى توانیم از پس این كار بر بیاییم. اما با پیشرفته تر شدن تكنولوژى هاى رشد و دستكارى الماس، این تكنولوژى فعلى دیگر ابزار مطمئنى نخواهد بود.»

آزمایشگاه آنتورپ و چند تایى دیگر در سراسر جهان براى تشخیص الماس هاى مصنوعى به طور عمده از دو نوع دستگاه استفاده مى كنند. در دستگاه نوع اول با تابش نور به الماس مشخصات طیفى نور جذب یا ساطع شده تجزیه و تحلیل مى شود. اگر نشانه هایى از الماس مصنوعى مشاهده شد، آزمایشگاه دستگاه دوم را به كار مى گیرد كه این دستگاه براى آشكار ساختن ساختار درونى كریستال از نور فرابنفش استفاده مى كند. به گفته ون روین «این دستگاه ها نقص هاى موجود در الماس را حتى در مقیاس میكروسكوپى یا اتمى نیز بررسى مى كنند. ما در اینجا ساختار هاى رشد الماس را بررسى مى كنیم.» در واقع الماس ها نیز درست مثل درختان داراى حلقه هاى رشدى در اطراف هسته درونى هستند. الماس هایى كه در آزمایشگاه تولید یا براى تغییر رنگ دستكارى شده باشند، ساختار رشد متفاوتى از خود نشان مى دهند. بنابراین با اینكه آزمایشگاه ها با استفاده از این دستگاه ها قادر به تشخیص الماس هاى مصنوعى از طبیعى هستند اما نگرانى عمده در صنعت الماس جایى است كه افراد بدون این دستگاه ها توانایى تشخیص سنگ هاى مصنوعى را نخواهند داشت. به گفته ون روین «بیشتر مشترى یا حتى جواهرفروشان قادر به بیان تفاوت این دو نمونه نیستند. با اینكه صنعت الماس هیچ مشكلى با الماس هاى مصنوعى ندارد، آنها مصرانه مى خواهند كه این نمونه هاى مصنوعى به روشنى برچسبى داشته باشند تا مشترى نسبت به آنچه خریدارى مى كند كاملاً مطلع باشد.» بنا به اظهارات هلیر و لینارس هر دو كمپانى ژمسیس و آپولو دیاموند در تلاش اند تا اعتبار سنگ هاى پرورشى شان را تضمین كنند. براى مثال روى تمام الماس هاى پرورشى بزرگ تر از یك چهارم قیراط كمپانى ژمسیس، اسم كمپانى و شماره سریالى انحصارى با لیزر حك شده است. همچنین تمام سنگ هاى بزرگ تر از یك قیراط همراه با تایید نامه رسمى از آزمایشگاه جواهر شناسى اروپا عرضه مى شود. اما به اعتقاد ون روین هنوز این پرسش باقى است كه آیا تمام تولید كنندگان الماس لزوماً با وجدان هم خواهند بود. به گفته وى «در پایان انتظار داریم الماس هاى مصنوعى جایگاه مخصوص به خودى در بازار را پیدا كنند.» برخى دیگر از دست اندركاران صنعت الماس نیز دید بهترى نسبت به این سنگ هاى پرورشى دارند. به گفته مارتین راپاپورت (M.Rapaport)، رئیس گروه راپاپورت، شبكه اى از كمپانى هاى درگیر در صنعت الماس «از چشم انداز سیاست عمومى، انواع بیشتر محصول، انتخاب هاى بیشتر، قسمت هاى متنوع و رقابت یعنى بازار بهتر. در واقع این شانس منطقى است كه بتوانیم در آینده اى قابل پیش بینى ابعاد صنعت الماس را دو برابر كنیم.» لینارس معتقد است سرانجام این میزان فروش سنگ هاى قیمتى است كه تنها وسیله پایان بخش به این جدل خواهد بود و بازدهى هاى بزرگ در دل تكنولوژى هاى صنعتى است.

دورنماى الماس

ویژگى هاى ذاتى الماس خالص مثل نارسانایى و رسانایى الكتریكى فوق العاده و نیز عنوان سخت ترین و مقاوم ترین ماده شناخته شده در جهان، آن را تبدیل به ماده طبیعى مناسبى براى كاربرد هاى صنعتى و الكترونیكى كرده است. به گفته جیمز باتلر «در پنجاه سال آینده تحقیقات شیمیایى الماس در آزمایشگاه تحقیقاتى نیروى دریایى ایالات متحده احتمالاً منجر به ظهور لوازم الكترونیكى نوینى خواهد شد كه به راحتى جاى سیلیكون به عنوان گزینه اى براى نیمه رساناها را اشغال مى كند. به عنوان برخى از كاربرد هاى عملى الماس مى توان به موارد زیر اشاره كرد:

- لوازم الكترونیكى ولتاژ و توان بالا مثل ترن هاى سریع السیر.

- دستگاه هاى فركانس بالا مثل رادار هاى پرقدرت و ایستگاه هاى مخابراتى سلولى.

- دستگاه هاى میكرو و نانو الكترو مكانیكى مثل ساعت ها و فیلتر هاى تلفن هاى سلولى.

- محاسبات كوانتومى مثل موارد مورد نیاز در ارتباطات امن.

- آشكارساز پرتو هاى پرانرژى مثل پرتو سنج هاى پزشكى.

- اپتیك و لیزر هاى پرقدرت مثل آنچه در كابل و خطوط تلفن یا پنجره شاتل هاى فضایى به كار مى رود.

- الكترود هاى الماسى مقاوم به خوردگى كه مى تواند محیط هاى آلوده را پاك كند.


منبع :www.sharghnewspaper.com

http://www.hupaa.com/Data/P00279.php

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :