Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0021

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0021
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Название доклада
Разработка технологии синтеза крупногабаритных алмазных пластин из поликристаллического алмаза газофазного синтеза для создания оптических окон и диэлектрических опор в мощных лампах бегущей волны
Докладчик
Ральченко Виктор Григорьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
● Разработка методов выращивания в СВЧ плазме, обработки и анализа оптических и теплофизических свойств поликристаллических алмазных пластин большого размера (50-100 мм) с высокой прозрачностью и теплопроводностью для использования в мощных источниках излучения миллиметрового диапазона длин волн, в том числе в лампах бегущей волны (ЛБВ).
● Разработка новых диэлектрических материалов с повышенной теплопроводностью актуально для создания нового поколения мощных генераторов электромагнитного излучения миллиметрового диапазона для систем связи, радаров и пр.
Актуальность и новизна исследования
Источники СВЧ излучения являются одним из ключевых элементов в создании космических и наземных систем связи, радаров на транспорте. Для повышения мощности генераторов электромагнитного излучения миллиметрового и терагерцового диапазонов длин волн (гиротронов, ламп бегущей волны) необходимо применение новых радиопрозрачных материалов, обладающих высокой теплопроводностью. По этим критериям наиболее перспективным диэлектрическим материалом является поликристаллический алмаз, синтезируемый из газовой плазмы. В частности, компоненты из алмаза могут быть использованы в качестве эффективных теплоотводящих опор (в виде стержней) в конструкциях ламп бегущей волны (ЛБВ) и выходных окон гиротронов.
Промышленная технология выращивания алмазных пластин в России отсутствует. Проект направлен на разработку методов получения компонентов алмазной оптики, теплоотводов, и создания элементов технологий: (а) выращивания крупногабаритных, 50-100 мм в диаметре, поликристаллических алмазных пластин в СВЧ плазме на частотах 2,45 ГГц и 915 МГц; (б) шлифовки и полировки алмазных дисков; (в) лазерной резки заготовок на элементы нужной формы и размеров; (г) термической и химической обработки; (д) методов измерения теплопроводности и диэлектрических потерь.
Описание исследования

Синтез поликристаллических алмазных пластин высокого качества проведен в СВЧ плазме на подложках из кремния в смесях метан-водород в реакторах, работающих на частотах 2,45 ГГц и 915 МГц (в последнем случае возможно увеличение диаметра подложек до 100мм). Технология на частоте 915 МГц - вклад Индийского партнера. Для полировки крупноформатных образов применены два способа обработки: механическая и химико-механическая (последняя представляет вклад Индийского партнера). Алмазные элементы заданной формы получали прецизионной лазерной резкой.

Для измерения температурных зависимостей теплопроводности алмазных пластин использовали лазерный флэш-метод, преимущество которого состоит в оперативности, бесконтактности, локальности. Измерения возможно проводить в диапазоне температур 230 – 400К. Для измерения тангенса угла потерь образцов разработана оригинальная методика с резонатором, позволяющим размещать и измерять в нем алмазные элементы в виде стержней и балок.

Безопасные режимы термообработки (не допускающие графитизации материала) исследованы при отжиге в вакууме в диапазоне температур до 1690°С. Химическую обработку для избирательно удаления остаточные включения графита осуществляли окисление на воздухе. Структурные исследования полученных образцов полиалмаза проведены с использованием комплекса современных материаловедческих методик, включая электронную микроскопию, интерферометрию белого света, атомно-силовую микроскопию, оптическую спектроскопию поглощения от ультрафиолетовой до ИК области спектра, спектроскопию фотолюминесценции и комбинационного рассеяния.

Результаты исследования

-  Разработан технологический процесс получения поликристаллических алмазных пластин высокого качества в СВЧ плазме (частота 2,45 ГГц) на подложках из кремния в смесях метан-водород. Получены образцы пластин оптического качества диаметром 75 мм.

- с помощью разработанной лабораторной методики измерены температурные зависимости теплопроводности алмазных пластин лазерным флэш-методом. Достигнута высокая теплопроводность, до 2050 Вт/мК при комнатной температуре.

- Измерен тангенс угла потерь образцов в резонаторе отражательного типа, получены значения tg δ = 1,8∙10-4 на частоте 27 ГГц.

- С использованием комплекса современных материаловедческих методик получены экспериментальные данные о структуре алмазных пластин, текстуре, примесях азота и водорода.

- Разработаны методы механической шлифовки алмазных дисков диаметром до 75 мм до шероховатости поверхности менее 150 нм. Механической полировкой пластин достигнуты низкие, около 7 нм, шероховатости поверхности.

- Экспериментально установлено, что при отжиге в вакууме высокая прозрачность материала сохраняется при нагреве до температуры 1300°С, что определяет безопасный допустимый режим термообработки.

- Изготовлены образцы алмазных окон.

- Экспериментально обнаружено, что ультразвуковая обработка поверхности алмазных пластин является высокопроизводительным способом шлифовки поликристаллического алмаза. Оформлена заявка на изобретение.

- Силами зарубежного Партнера выполнены следующие работы: разработан и оптимизирован технологический процесс получения прозрачных поликристаллических алмазных пластин в СВЧ плазме на частоте 915 МГц диаметром до 100 мм и теплопроводностью до 1900 Вт/мК. Исследован и оптимизирован процесс механо-химической полировки пластин диаметром до 75 мм, проведены их структурные исследования методами электронной микроскопии и спектроскопии КР. Изготовлены образцы алмазных опор (стержней) длиной 86 мм и сечением 1.0 х 0.4 мм2.

Полученные алмазные пластины по своим размерами (диаметр до 100 мм), а также измеренные значения теплопроводности соответствуют мирового уровню технологии синтеза алмаза в СВЧ плазме, например, результатам компаний Diamond Materials (Германия) Element Six (Великобритания).

Технологические решения по радикальному снижению отвода тепла в спиральных конструкциях мощных ЛБВ сопоставимы с разработками мирового лидера в создании ЛБВ с алмазными компонентами – Teraphysics Corp. (США). Значения тангенса угла потерь в диапазоне частот около 30 ГГц определены впервые.

Практическая значимость исследования
1. Разработанные алмазные технологии могут быть использованы для создания мощных генераторов и усилителей волн миллиметрового диапазона, компактных ламп бегущей волны для космических и наземных систем связи, с использованием теплоотводящих алмазных компонентов.
2. Благодаря сочетанию высоких оптических и теплофизических свойств обработанные крупногабаритные алмазные пластины найдут свое применение в качестве материала для окон мощных лазеров ИК диапазона, теплоотводов для приборов СВЧ электроники.
3. Разработанные методы полировки поликристаллического алмаза востребованы также в производстве алмазной оптике видимого и ИК диапазонов.