Diamant

Diamant heeft uitzonderlijke eigenschappen. Het is voor zover bekend het hardste materiaal op aarde en de beste warmtegeleider. Bovendien heeft het een goede chemische bestendigheid en de hoogste brekingsindex van alle natuurlijke materialen. Door deze unieke eigenschappen heeft diamant ook bijzondere toepassingen. Het meest bekend zijn de juwelen; de hoge brekingsindex geeft een speciale schittering. De meeste diamant wordt echter gebruikt in technische toepassingen zoals beitels, heatsinks (warmteputten), hogedruk anvils (aambeelden), vensters en chirurgisch snijgereedschap.

Bron: Diamantonderzoek van de Afdeling Vaste Stof Fysica III; John Schermer
Beelden: Elektronen microscopie van diamant kristallen
 

Diamantgroei

Sinds bekend is dat diamant is opgebouwd uit koolstof, zijn er pogingen ondernomen om goedkope vormen van koolstof in diamant om te zetten. Inmiddels zijn hiertoe verschillende methoden ontwikkeld. Bij één van deze methoden wordt diamant gemaakt met behulp van een simpele zuurstof-acetyleen brander. In de acetyleenvlam worden koolwaterstof radicalen gevormd die neerslaan op een substraat waardoor hierop als het ware diamantkristallen groeien.

Diamantkristallen
	Een kristal is een periodieke rangschikking van atomen in een zich herhalend -drie-dimensioneel- rooster. Via een coördinaatstelsel kunnen bepaalde richtingen en vlakken van kristallen eenvoudig worden beschreven.De rangschikking van de atomen aan het oppervlak is bepalend voor de wijze waarop het kristal groeit. Een diamantkristal wordt normaal gesproken alleen begrenst door stabiele {001} en {111} vlakken. Deze gladde vlakken ofwel facetten zijn in feite een doorsnijding van het diamantkristal.
De rangschikking van de atomen aan het oppervlak van deze facetten varieert duidelijk met het doorsnijdingsvlak (de gezoomde animatie toont hoe de rangschikking van de atomen van een viertallige overgaat in een drietallige symmetrie als het kristal van de <001> richting naar de <111> richting draait). Dit heeft tot gevolg dat de aangroei van diamant op de {111} facetten anders verloopt dan op de {001} facetten. Afhankelijk van de groeicondities (zoals de temperatuur) varieert door het verschil in aangroeisnelheid op de en facetten ook de vorm van een perfect diamantkristal (a). Aan de hand van de waargenomen kristalvorm kunnen we derhalve de relatieve groeisnelheden in de diverse kristalografische richtingen bepalen. De range van mogelijke cubo-octaëder kristallen bestaande uit {001} en {111} facetten (de rode resp. blauwe vlakken) is schematisch weergegeven in (b). De verhouding van de groeisnelheden in de beide richtingen V[001]/V[111] is onder elke kristalvorm weergegeven. De pijlen geven de richting met de grootste groeisnelheid weer: de corresponderende facetten groeien als het ware uit de uiteindelijke kristalvorm die wordt bepaald door de langzaamst groeiende facetten.

 

Microscopische kristalfouten

In de praktijk verloopt het groeiproces zelden perfect en treden er afhankelijk van de groeiomstandigheden vaak fouten op in het kristalrooster. Een belangrijke categorie defecten ontstaat doordat er op een reeds bestaand kristal een nieuw kristal wordt gevormd. Hierdoor wordt het steeds moeilijker de oorspronkelijke kristalvorm the herkennen (a). Een bijzondere vorm van dit secundaire nucleatie proces is het ontstaan van tweeling kristallen (b).

 

Diamantlagen
	Tijdens het groeiproces worden de kristallen na verloop van tijd zo groot dat ze een continue polykristallijne diamantlaag gaan vormen waarin de kristallen elkaar onderling verdringen (zie FESEM simulatie boven aan de pagina en een detailopname van een poly-kristallijne laag ).
	Indien de secundaire nucleatie kan worden onderdrukt is elk van deze kristallen aan het begin van het process op het substraat ontstaan en is het groeiprocess in twee dimensies eenvoudig te simuleren (a) (start simulatie). Hieruit wordt duidelijk dat de kristallen die toevallig zo zijn georienteerd dat de snelst groeiende richting nagenoeg loodrecht op het substraat staat uiteindelijk zullen overleven. In tegenstelling tot de situatie bij een individueel kristal, is hier juist de snelst groeiende kristalrichting bepalend voor de morfologie van poly-kristallijne laag (b). In praktijk blijkt het bijzonder moeilijk de secundaire nucleatie te onderdrukken. Doorgaans treffen we een laag aan met sterk vervormde kristallen waarin de en facetten moeilijk van elkaar zijn te onderscheiden

 

Natuurkundig onderzoek naar kristallen mbv de FESEM
Zoom van deze stereo-opname (klik op plaatje om in te zoomen; diepte is te zien met een stereobrilletje bestaande uit een rode filter voor het ene oog en een groene voor het andere. Tip: te knutselen uit doorzichtige projectie sheets)	Kort artikel over dunne films van poly-kristallijnen materialen die tbv het vervaardigen van micro-chips worden onderzocht (229 KB in pdf formaat)	Proefschrift van M. Moret (in het Engels)