Микроструктурные различия: Монокристаллический алмаз обладает высокорегулярной, почти идеальной кристаллической структурой. На атомном уровне атомы углерода расположены в строго упорядоченном трёхмерном периодическом узоре, создавая непрерывную и когерентную решётку. Весь кристалл зарождается из одного ядра и равномерно растёт вдоль определённого кристаллографического направления, не прерываемого границами зёрен. Это приводит к равномерному и симметричному распределению электронного облака, постоянным и прочным химическим связям и абсолютной однородности физических свойств на макроскопическом уровне.
В отличие от этого, поликристаллический алмаз напоминает «микромозаику», состоящую из бесчисленных мельчайших «кристаллических фрагментов пазла». Он состоит из множества мельчайших наночастиц. Кристаллическая структура этих частиц похожа на структуру монокристаллического алмаза, но их расположение неупорядочено, а ориентация неоднородна. Частицы соединены ненасыщенными связями, что приводит к чётким границам зерен, неровной кристаллической структуре и относительно высокому содержанию дефектов.
Различия в физических свойствах
Твёрдость и износостойкость
Монокристаллический алмаз — одно из самых твёрдых веществ в природе, твёрдость по шкале Мооса составляет 10. Он обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, а его режущая кромка может достигать прямолинейности и остроты на атомном уровне. В процессе резки он воспроизводит идеальное состояние режущей кромки заготовки, обеспечивая чрезвычайно гладкую, зеркальную поверхность. Он подходит для сверхтонкой резки и сверхточной обработки.
Поликристаллический алмаз: будучи немного твёрже монокристаллического алмаза, он обладает превосходной износостойкостью. Его уникальная прочность и способность к самозатачиванию позволяют крупным частицам распадаться на более мелкие в процессе шлифования и полирования, непрерывно обнажая новые режущие кромки. Это обеспечивает качество поверхности и повышает эффективность шлифования и резки, что делает его особенно подходящим для шлифования заготовок из материалов различной твёрдости. Теплопроводность и термическая стабильность
Монокристаллический алмаз: Его теплопроводность достигает 2000 Вт/(м·К) при комнатной температуре. Эта теплопроводность обусловлена, главным образом, распространением колебаний атомов углерода, или фононов. Его высокоупорядоченная структура решетки практически невосприимчива к эффекту рассеяния на границах зерен, сохраняя стабильные физические и химические свойства в условиях высоких температур и давления. Он подходит для применения в системах рассеивания тепла в мощных полупроводниках и для регулирования температуры лазерных устройств.
Поликристаллический алмаз: Хотя его теплопроводность снижается из-за рассеяния на границах зерен, в определенном диапазоне температур интерференция границ зерен на путях рассеяния фононов может быть использована в качестве преимущества, позволяя регулировать теплопроводность. Поликристаллический алмаз может использоваться в качестве теплоотвода в силовых полупроводниковых приборах. Технология его осаждения относительно проста в реализации, а стоимость производства также конкурентоспособна. Оптические свойства
Монокристаллический алмаз: Он обладает высоким оптическим показателем преломления и чрезвычайно низким коэффициентом поглощения, что обеспечивает минимальные потери света при прохождении. После полировки он может использоваться в инфракрасных оптических окнах, высококлассных объективах микроскопов и других областях применения. Высококачественный монокристаллический алмаз, полученный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), полностью бесцветен и прозрачен, обладает превосходным пропусканием от ультрафиолетового до инфракрасного и микроволнового диапазонов, с теоретическим коэффициентом пропускания до 71,6%. Он также может использоваться в качестве высокопроизводительного кристаллического материала для рамановской спектроскопии.
Поликристаллический алмаз: Из-за рассеяния на границах зерен оптическая однородность ограничена. Однако благодаря специализированным процессам, направленным на оптимизацию размера зерен и снижение межзеренного эффекта, его можно использовать в недорогих осветительных и дисплейных устройствах с относительно умеренными требованиями к оптической точности.
Различия в производственных процессах
Монокристаллический алмаз:
Высокотемпературный и высоконапорный (HTHP): Под воздействием высокой температуры (1200–2000 °C), высокого давления (5–6 ГПа) и металлического катализатора атомы углерода в исходном графите перестраиваются, образуя монокристаллический алмаз. Этот метод позволяет получать крупные монокристаллы ювелирного качества, но оборудование дорогостоящее и сложное в эксплуатации, а размер и скорость роста кристаллов ограничены самим процессом.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD): в камере низкого давления и высокой температуры углеродсодержащий газ активируется с помощью плазмы, горячих нитей и других методов, что приводит к послойному осаждению атомов углерода на подложку для выращивания монокристаллов алмаза. Этот метод позволяет получать кристаллы высокой чистоты и точно контролировать параметры роста, что делает его пригодным для массового производства полупроводникового качества.
