Nem gyémánt, nem grafit, fullerén

Átírás

1 GYÉMÁNT

2 Szén módosulatok

3 Nem gyémánt, nem grafit, fullerén

4 Felépítésük

5 Típus 1

6 Típus 2.

7 Szupravezető fullerén

8 Gyémánt tulajdonságok Ékszer: optikai átlátszóság, nagy törésmutató, ritkasága miatt drága 500 USD/g (arany 12-8 USD/g) Tulajdonság Rétegként való alkalmazás Vickers keménység (kp/mm 2 ) Szerszámok, polirozás, csapágyak Súrlódási együttható 0,1 contact recording Mágneses adattárolók Young modulus (N/mm 2 ) 1,2*10 12 Nagyfrekvenciás hangszóró Hangsebesség (km/s) 18,2 membrán Letörési szilárdság (V/mm) 10 7 Nagyfeszültségű szigetelések Hővezetés (W/cmK)* 20 Hőnyelők (3D packaning Negatív elektronaffinitás (ev) -1 hidegkatód Kémiai ellenállóképesség** Sav/bázis/szerves Reaktorok, szenzorok, orvosi Biokompatibilás műszerek, protézisek borítása Átlátszósági tartomány (µm) 0,22-2, >6 Optikai elemek védőborítása, Törésmutató 2,4 antireflexiós réteg, mikrohullámú és röntgenablakok, infravörös Tiltott sáv (ev) 5,45 Elektron/lyuk mozgás 22/16 Dielektromos állandó 5,5 Lumineszcencia (µm) 0,44, 0,52 szűrők Teljesítményelektronika, magas működési hőmérséklet, sugárzási keménység, optoelektronika, LED K lc =0,5-2 MPam 1/2 *A legjobb hővezető **mintegy 700 o C-ig minden kémiai hatásnak, és sugárzásnak is Kovalens kötés: 14 ev, Sűrűség 3,01-3,56 g/cm3 (műgyémánt)3,48-3,54

9 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

10 Színtelen gyémánt

11

12

13 Zárványok: Grafit Ilmenit Hematit Kromit Magnetit Pirit Gránát Cikron Diopszid Kvarc Topáz Rutil Klorit Folyadék Gáz

14 C fázisdiagram

15 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%)

16 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 3000 o C-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 GPa nyomáson átmeneti fém magképződési centrummal és katalizátorral. Évi kb tonna mesterséges gyémántport állítanak elő. (GE, Sumitomo Electrics, Dél afrikai De Beers

17 Mesterséges ASEA (1953) GE 1954

18 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 sp 2 -nek nevezett hidridnek és egy p z -nek nevezett pályán rendeződnek, a gyémántban négy sp 3 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.

19 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.

20 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

21 CVD bevonatkészítő berendezés

22 BME Atomfizika Tsz. Gyémántréteg készítése

23 Ipari felhasználás Esztergakések Üvegvágók Korongegyengető gyémántszerszámok Diaform szabályzók Keménységmérő csúcsok Tűreszelők Reszelők Vágókorongok Fúrók Gyémánt paszták