نیمه رسانایی بنام الماس

شاید به زودی تصور متداول درباره الماس ها، به کلی دگرگون شود. الماس هایی که به خاطر زیبایی، کمیاب بودن و زمان طولانی تولیدشان ارزش فوق العاده ای داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانی حدود یک ساعت به وجود می آیند. اینکه این دگرگونی چه تاثیری در صنعت جواهرسازی یا قیمت الماس های طبیعی در بازار خواهد داشت هنوز در پرده ای از ابهام است. اما درباره نقش این الماس های آزمایشگاهی در تکنولوژی، شایعه هایی برخاسته از مجامع علمی به گوش می رسد.
بیشتر از هشتاد درصد از الماس های معدنی طبیعی به مصارف صنعتی از قبیل ابزارهای برش یا مواد ساینده برای تراشکاری و پرداخت دیگر سنگ های قیمتی، فلزات، گرانیت و شیشه می رسند. استفاده از الماس به عنوان نیمه رسانا نیز نیازمند شرایط ویژه ای مثل بالاترین درجه خلوص، بهترین بلورینگی و تعیین اتم ها به لحاظ الکتریکی فعال برای ایجاد گذرگاه الکتریکی در وسیله مورد نظر است. اما تمامی الماس های طبیعی به خاطر نقص ها، ناخالصی ها و ساختار ضعیف شان برای مصارف الکترونیکی نامناسبند. حتی با اینکه الماس های مصنوعی و طبیعی دارای کیفیت جواهری بسیار ارزشمند هستند، اما ممکن است به خاطر رگه های ناچیز ناخالصی ها برای استفاده به عنوان نیمه رسانا مناسب نباشند. در واقع تنها خالص ترین این سنگ ها در کاربردهای الکترونیکی پرقدرت از سلفون ها گرفته تا کامپیوترهای شخصی و خطوط ارتباطاتی قابل استفاده اند.
به گفته جیمز باتلر (J.Butler)، یکی از شیمیدانان محقق در آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده، به لحاظ تاریخی سه مشکل عمده سر راه استفاده از الماس های طبیعی در کاربردهای الکترونیکی وجود داشته است. الماس های طبیعی همیشه به شکل بازدارنده ای برای استفاده همه جانبه گران بوده اند و یافتن سنگ های بزرگ با خلوص کافی نیز بسیار دشوار است. علاوه بر این هیچ دو سنگی دقیقاً شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد در هر یک می تواند مشکلاتی را در مدارهای الکترونیکی به بار آورد. آخرین مشکل در استفاده از الماس برای کاربردهای الکترونیکی و کامپیوتری نیز نیاز به دو نوع الماس یعنی سنگ های نوع n و p برای هدایت الکترونیکی بوده است.
در دستگاه های مجتمع باید از هر دو نوع الماس نیمه رسانای n و p، استفاده کرد اما الماس های نوع n به طور طبیعی وجود ندارند و الماس های نوع p الماس آبی، به قدری نادرند که هیچ راه مقرون به صرفه ای برای استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماس های مصنوعی این مشکلات را برطرف می کنند. به گفته رابرت لینارس (R.Linares)، بنیان گذار کمپانی آپولو دیاموند برای مثال می توان با افزودن ناخالصی فلز برون به الماس، نوع P یعنی الماس آبی را تولید کرد. به طور مشابه دانشمندان می توانند با افزودن فسفر به الماس های بی رنگ، الماس نوع n را نیز تولید کنند. ما برای استفاده از الماس به نوع نیمه رسانا در دستگاه های الکترونیکی پرقدرت نیاز به ترکیبی لایه ای از این دو نوع الماس داریم. علاوه بر این با توجه به اینکه الماس های بی رنگ خالص در عمل بیشتر از آنکه رسانا باشند عایق هستند، می توان لایه هایی از آنها را به این ترکیب افزود.
امروزه نیمه رساناهای بسیاری مثل سیلیکون در گستره وسیعی از دستگاه های الکترونیکی به کار می روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتی و سرعت فوق العاده بیشترش، تنها در مقایسه با خلاء است که عنوان دومین نیمه رسانای برتر جهان را به خود اختصاص می دهد. الماس با داشتن چنین ویژگی هایی و به خصوص امروز که آزمایشگاه قادر به تولید سنگ های خالص و ناخالص کنترل شده اند، می تواند پایه گذار انواع سراسر نوینی از دستگاه های الکترونیکی پرقدرت باشد. با اینکه استفاده از الماس در صنایع الکترونیک به چند دهه دیگر واگذار شده است اما به اعتقاد لینارس این سنگ قیمتی صنایع نیمه رساناسازی را به کلی دگرگون خواهد کرد.
الماس به طور طبیعی تحت فشارهای زیاد اعماق زمین و در زمانی طولانی شکل می گیرد. اما در آزمایشگاه می توان به کمک دو فرآیند مجزا در زمانی بسیار کوتاه تر الماس تولید کرد. فرآیند فشار بالا _ دما بالا (HP HT) اساساً تقلیدی است از فرآیند طبیعی شکل گیری الماس در حالی که فرآیند رسوب گیری بخار شیمیایی (CVD) دقیقاً خلاف آن عمل می کند. در واقع CVD به جای وارد کردن فشار به کربن برای تولید الماس با آزاد گذاشتن اتم های کربن به آنها اجازه می دهد با ملحق شدن به یکدیگر به شکل الماس درآیند.
این دو تکنیک برای اولین بار در دهه ۱۹۵۰ کشف شدند. به گفته باتلر که هفده سال روی تولید الماس با استفاده از تکنیک CVD کار کرده است «از آنجا که پیشگامان تولید الماس بدون فشار بالا در دهه ۱۹۵۰ با تمسخر سایرین از میدان به در شدند. تکنولوژی CVD هنوز دوران کودکی اش را سپری می کند.» هر دو فرآیند قادرند با سرعتی خیره کننده الماس هایی با کیفیت جواهر تولید کنند اما در نهایت این فرآیند CVD است که به خاطر کنترل ساده ناخالصی و اندازه محصول برای تکنولوژی های الکترونیکی مناسب ترین خواهد بود.
فرآیند CVD با قرار دادن ذره بسیار کوچکی از الماس در خلأ آغاز می شود. سپس گازهای هیدروژن و متان به محفظه خلأ جریان می یابند. در ادامه پلاسمای تشکیل شده باعث شکافته شدن هیدروژن به هیدروژن اتمی می شود که با متان واکنش می دهد تا رادیکال متیل و اتم های هیدروژن به وجود آیند. رادیکال متیل نیز به ذره الماس می چسبد تا الماس بزرگ شود. رشد الماس در تکنیک CVD، فرآیندی خطی است، بنابراین تنها عوامل محدودکننده اندازه محصول در این روش بزرگی ذره ابتدایی و زمان قرار دادن آن در دستگاه است.
به گفته دیوید هلیر (D.Hellier)، رئیس بخش بازاریابی کمپانی ژمسیس، «فرآیند HP HT نیز با ذره کوچکی از الماس آغاز می شود. هر ذره الماس در محفظه های رشدی به اندازه یک ماشین لباسشویی، تحت دما و فشار بسیار بالا درون محلولی از گرانیت و کاتالیزوری فلزی غوطه ور می شود. در ادامه تحت شرایط کاملاً کنترل شده ای این الماس کوچک به تقلید از فرآیند طبیعی، مولکول به مولکول و لایه به لایه شروع به رشد می کند.» گرچه جنرال الکتریک در تولید الماس ها به این روش پیشگام است و الماس های ساخته شده با تکنیک HP HT را برای مصارف صنعتی به بازار عرضه می کرد اما تا پیش از آنکه کمپانی ژمسیس با ساده سازی این فرآیند امکان تولید نمونه هایی با کیفیت جواهر را فراهم کند، هرگز آن الماس ها به عنوان سنگ های قیمتی به فروش نرسیده بودند.
امروز هر دو کمپانی آپولو دیاموند و ژمسیس الماس های جواهری می فروشند. این الماس های «پرورشی» با قیمتی بسیار پایین تر از الماس طبیعی به فروش می رسد. به گفته هلیر «کمپانی ژمسیس از سال ۲۰۰۳ الماس های مصنوعی را با قیمت یک چهارم تا یک پنجم قیمت نمونه طبیعی به بازار عرضه می کند که از لحاظ رنگ، شفافیت، برش و قیراط مشابه سنگ های قیمتی طبیعی است. در واقع الماس های زینتی مصنوعی بخش کوچک و در عین حال پرسودی از صنعت الماس را تشکیل می دهند. این الماس های رنگی که در مقایسه با همتاهای بی رنگ شان فوق العاده کمیاب و در نتیجه بسیار گران بها ترند با توجه به نوع ناخالصی ها در رنگ های گوناگون از قرمز و صورتی گرفته تا آبی، سبز و حتی زرد روشن و نارنجی تولید می شوند. به گفته لینارس: «گرچه آپولو دیاموند به زودی الماس هایی به رنگ آبی، صورتی و مشکی را عرضه خواهد کرد اما این کمپانی با فروش الماس های بی رنگ مسیر متفاوتی را در پیش گرفته است.» در واقع این الماس ها می توانند چنان کیفیت بالایی داشته باشند که حتی ماشین های ساخته شده برای تشخیص سنگ های مصنوعی از طبیعی در تفکیک شان از یکدیگر دچار مشکل شوند، همان طور که امروزه برخی از بزرگ ترین الماس فروشان در صنعت نیز به زحمت از پس آن برمی آیند. شباهت فوق العاده نمونه های مصنوعی و طبیعی باعث شده است تا تاجران الماس برای تشخیص الماس های رنگی مصنوعی از سنگ های طبیعی دست به دامن آزمایشگاه های الماس بلژیک و دیگر نقاطی شوند که به طور سنتی عهده دار تجزیه و تحلیل و تایید الماس ها از نظر بزرگی قیراط، رنگ و شفافیت هستند. به گفته جف ون روین (J.Van Royen)، یکی از فیزیکدانان شورای عالی الماس آنتورپ «وظیفه ما حمایت از انجمن های الماس با یافتن شیوه هایی برای شناسایی الماس های مصنوعی و دست کاری شده است و با تکنولوژی فعلی مان کاملاً مطمئن هستیم که می توانیم از پس این کار بر بیاییم. اما با پیشرفته تر شدن تکنولوژی های رشد و دستکاری الماس، این تکنولوژی فعلی دیگر ابزار مطمئنی نخواهد بود.»
آزمایشگاه آنتورپ و چند تایی دیگر در سراسر جهان برای تشخیص الماس های مصنوعی به طور عمده از دو نوع دستگاه استفاده می کنند. در دستگاه نوع اول با تابش نور به الماس مشخصات طیفی نور جذب یا ساطع شده تجزیه و تحلیل می شود. اگر نشانه هایی از الماس مصنوعی مشاهده شد، آزمایشگاه دستگاه دوم را به کار می گیرد که این دستگاه برای آشکار ساختن ساختار درونی کریستال از نور فرابنفش استفاده می کند. به گفته ون روین «این دستگاه ها نقص های موجود در الماس را حتی در مقیاس میکروسکوپی یا اتمی نیز بررسی می کنند. ما در اینجا ساختار های رشد الماس را بررسی می کنیم.» در واقع الماس ها نیز درست مثل درختان دارای حلقه های رشدی در اطراف هسته درونی هستند.
الماس هایی که در آزمایشگاه تولید یا برای تغییر رنگ دستکاری شده باشند، ساختار رشد متفاوتی از خود نشان می دهند. بنابراین با اینکه آزمایشگاه ها با استفاده از این دستگاه ها قادر به تشخیص الماس های مصنوعی از طبیعی هستند اما نگرانی عمده در صنعت الماس جایی است که افراد بدون این دستگاه ها توانایی تشخیص سنگ های مصنوعی را نخواهند داشت. به گفته ون روین «بیشتر مشتری یا حتی جواهرفروشان قادر به بیان تفاوت این دو نمونه نیستند. با اینکه صنعت الماس هیچ مشکلی با الماس های مصنوعی ندارد، آنها مصرانه می خواهند که این نمونه های مصنوعی به روشنی برچسبی داشته باشند تا مشتری نسبت به آنچه خریداری می کند کاملاً مطلع باشد.»
ویژگی های ذاتی الماس خالص مثل نارسانایی و رسانایی الکتریکی فوق العاده و نیز عنوان سخت ترین و مقاوم ترین ماده شناخته شده در جهان، آن را تبدیل به ماده طبیعی مناسبی برای کاربرد های صنعتی و الکترونیکی کرده است. به گفته جیمز باتلر «در پنجاه سال آینده تحقیقات شیمیایی الماس در آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده احتمالاً منجر به ظهور لوازم الکترونیکی نوینی خواهد شد که به راحتی جای سیلیکون به عنوان گزینه ای برای نیمه رساناها را اشغال می کند. به عنوان برخی از کاربرد های عملی الماس می توان به موارد زیر اشاره کرد:
ـ لوازم الکترونیکی ولتاژ و توان بالا مثل ترن های سریع السیر.
ـ دستگاه های فرکانس بالا مثل رادار های پرقدرت و ایستگاه های مخابراتی سلولی.
ـ دستگاه های میکرو و نانو الکترو مکانیکی مثل ساعت ها و فیلتر های تلفن های سلولی.
ـ محاسبات کوانتومی مثل موارد مورد نیاز در ارتباطات امن.
ـ آشکارساز پرتو های پرانرژی مثل پرتو سنج های پزشکی.
ـ اپتیک و لیزر های پرقدرت مثل آنچه در کابل و خطوط تلفن یا پنجره شاتل های فضایی به کار می رود.
ـ الکترود های الماسی مقاوم به خوردگی که می تواند محیط های آلوده را پاک کند.

منبع : سازمان آموزش و پرورش استان خراسان