نیمه رسانایی بنام الماس

شاید به زودی تصور متداول درباره الماس ها، به كلی دگرگون شود. الماس هایی كه به خاطر زیبایی، كمیاب بودن و زمان طولانی تولیدشان ارزش فوق العاده ای داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانی حدود یك ساعت به وجود می آیند. اینكه 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 تكنولوژی، 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 تراشكاری 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 الكتریكی فعال برای ایجاد گذرگاه الكتریكی در وسیله مورد نظر است. اما تمامی الماس های طبیعی به خاطر نقص ها، ناخالصی ها و ساختار ضعیف شان برای مصارف الكترونیكی نامناسبند. حتی با اینكه الماس های مصنوعی و طبیعی دارای كیفیت جواهری بسیار ارزشمند هستند، اما ممكن 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 كاربردهای الكترونیكی پرقدرت از سلفون ها گرفته تا كامپیوترهای شخصی و خطوط ارتباطاتی قابل استفاده اند.
به گفته جیمز باتلر (J.Butler)، یكی از شیمیدانان محقق در آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده، به لحاظ تاریخی سه مشكل عمده سر راه استفاده از الماس های طبیعی در كاربردهای الكترونیكی وجود داشته است. الماس های طبیعی همیشه به شكل بازدارنده ای برای استفاده همه جانبه گران بوده اند و یافتن سنگ های بزرگ با خلوص كافی نیز بسیار دشوار است. علاوه بر این هیچ دو سنگی دقیقاً شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد در هر یك می تواند مشكلاتی را در مدارهای الكترونیكی به بار آورد. آخرین مشكل در استفاده از الماس برای كاربردهای الكترونیكی و كامپیوتری نیز نیاز به دو نوع الماس یعنی سنگ های نوع n و p برای هدایت الكترونیكی بوده است.
در دستگاه های مجتمع باید از هر دو نوع الماس نیمه رسانای n و p، استفاده كرد اما الماس های نوع n به طور طبیعی وجود ندارند و الماس های نوع p الماس آبی، به قدری نادرند كه هیچ راه مقرون به صرفه ای برای استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماس های مصنوعی این مشكلات را برطرف می كنند. به گفته رابرت لینارس (R.Linares)، بنیان گذار كمپانی آپولو دیاموند برای مثال می توان با افزودن ناخالصی فلز برون به الماس، نوع P یعنی الماس آبی را تولید كرد. به طور مشابه دانشمندان می توانند با افزودن فسفر به الماس های بی رنگ، الماس نوع n را نیز تولید كنند. ما برای استفاده از الماس به نوع نیمه رسانا در دستگاه های الكترونیكی پرقدرت نیاز به تركیبی لایه ای از این دو نوع الماس داریم. علاوه بر این با توجه به اینكه الماس های بی رنگ خالص در عمل بیشتر از آنكه رسانا باشند عایق هستند، می توان لایه هایی از آنها را به این تركیب افزود.
امروزه نیمه رساناهای بسیاری مثل سیلیكون در گستره وسیعی از دستگاه های الكترونیكی به كار می روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتی و سرعت فوق العاده بیشترش، تنها در مقایسه با خلاء است كه عنوان دومین نیمه رسانای برتر جهان را به خود اختصاص می دهد. الماس با داشتن چنین ویژگی هایی و به خصوص امروز كه آزمایشگاه قادر به تولید سنگ های خالص و ناخالص كنترل شده اند، می تواند پایه گذار انواع سراسر نوینی از دستگاه های الكترونیكی پرقدرت باشد. با اینكه استفاده از الماس در صنایع الكترونیك به چند دهه دیگر واگذار شده است اما به اعتقاد لینارس این سنگ قیمتی صنایع نیمه رساناسازی را به كلی دگرگون خواهد كرد.
الماس به طور طبیعی تحت فشارهای زیاد اعماق زمین و در زمانی طولانی شكل می گیرد. اما در آزمایشگاه می توان به كمك دو فرآیند مجزا در زمانی بسیار كوتاه تر الماس تولید كرد. فرآیند فشار بالا _ دما بالا (HP HT) اساساً تقلیدی است از فرآیند طبیعی شكل گیری الماس در حالی كه فرآیند رسوب گیری بخار شیمیایی (CVD) دقیقاً خلاف آن عمل می كند. در واقع CVD به جای وارد كردن فشار به كربن برای تولید الماس با آزاد گذاشتن اتم های كربن به آنها اجازه می دهد با ملحق شدن به یكدیگر به شكل الماس درآیند.
این دو تكنیك برای اولین بار در دهه ۱۹۵۰ كشف شدند. به گفته باتلر كه هفده سال روی تولید الماس با استفاده از تكنیك CVD كار كرده است «از آنجا كه پیشگامان تولید الماس بدون فشار بالا در دهه ۱۹۵۰ با تمسخر سایرین از میدان به در شدند. تكنولوژی CVD هنوز دوران كودكی اش را سپری می كند.» هر دو فرآیند قادرند با سرعتی خیره كننده الماس هایی با كیفیت جواهر تولید كنند اما در نهایت این فرآیند CVD است كه به خاطر كنترل ساده ناخالصی و اندازه محصول برای تكنولوژی های الكترونیكی مناسب ترین خواهد بود.
فرآیند CVD با قرار دادن ذره بسیار كوچكی از الماس در خلأ آغاز می شود. سپس گازهای هیدروژن و متان به محفظه خلأ جریان می یابند. در ادامه پلاسمای تشكیل شده باعث شكافته شدن هیدروژن به هیدروژن اتمی می شود كه با متان واكنش می دهد تا رادیكال متیل و اتم های هیدروژن به وجود آیند. رادیكال متیل نیز به ذره الماس می چسبد تا الماس بزرگ شود. رشد الماس در تكنیك CVD، فرآیندی خطی است، بنابراین تنها عوامل محدودكننده 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 كمپانی ژمسیس، «فرآیند HP HT نیز با ذره كوچكی از الماس آغاز می شود. هر ذره الماس در محفظه های رشدی به اندازه یك ماشین لباسشویی، تحت دما و فشار بسیار بالا درون محلولی از گرانیت و كاتالیزوری فلزی غوطه ور می شود. در ادامه تحت شرایط كاملاً كنترل شده ای این الماس كوچك به تقلید از فرآیند طبیعی، مولكول به مولكول و لایه به لایه شروع به رشد می كند.» گرچه جنرال الكتریك در تولید الماس ها به این روش پیشگام است و الماس های ساخته شده با تكنیك HP HT را برای مصارف صنعتی به بازار عرضه می كرد اما تا پیش از آنكه كمپانی ژمسیس با ساده سازی این فرآیند امكان تولید نمونه هایی با كیفیت جواهر را فراهم كند، هرگز آن الماس ها به عنوان سنگ های قیمتی به فروش نرسیده بودند.
امروز هر دو كمپانی 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 «كمپانی ژمسیس از سال ۲۰۰۳ الماس های مصنوعی را با قیمت یك چهارم تا یك پنجم قیمت نمونه طبیعی به بازار عرضه می كند كه از لحاظ رنگ، شفافیت، برش و قیراط مشابه سنگ های قیمتی طبیعی است. در واقع الماس های زینتی مصنوعی بخش كوچك و در عین حال پرسودی از صنعت الماس را تشكیل می دهند. این الماس های رنگی كه در مقایسه با همتاهای بی رنگ شان فوق العاده كمیاب 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 مشكی را عرضه خواهد كرد اما این كمپانی با فروش الماس های بی رنگ مسیر متفاوتی را در پیش گرفته است.» در واقع این الماس ها می توانند چنان كیفیت بالایی داشته باشند كه حتی ماشین های ساخته شده برای تشخیص سنگ های مصنوعی از طبیعی در تفكیك شان از یكدیگر دچار مشكل شوند، همان طور كه 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 بلژیك و دیگر نقاطی شوند كه 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)، یكی از فیزیكدانان شورای عالی الماس آنتورپ «وظیفه ما حمایت از انجمن های الماس با یافتن شیوه هایی برای شناسایی الماس های مصنوعی و دست كاری شده است و با تكنولوژی فعلی مان كاملاً مطمئن هستیم كه می توانیم از پس این كار بر بیاییم. اما با پیشرفته تر شدن تكنولوژی های رشد و دستكاری الماس، این تكنولوژی 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 كنند. 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 كار می گیرد كه این دستگاه برای آشكار ساختن ساختار درونی كریستال از نور فرابنفش استفاده می كند. به گفته ون روین «این دستگاه ها نقص های موجود در الماس را حتی در مقیاس میكروسكوپی یا اتمی نیز بررسی می كنند. ما در اینجا ساختار های رشد الماس را بررسی می كنیم.» در واقع الماس ها نیز درست مثل درختان دارای حلقه های رشدی در اطراف هسته درونی هستند. الماس هایی كه در آزمایشگاه تولید یا برای تغییر رنگ دستكاری شده باشند، ساختار رشد متفاوتی از خود نشان می دهند. بنابراین با اینكه 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 كه 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 اینكه صنعت الماس هیچ مشكلی با الماس های مصنوعی ندارد، آنها مصرانه می خواهند كه این نمونه های مصنوعی به روشنی برچسبی داشته باشند تا مشتری نسبت به آنچه خریداری می كند كاملاً مطلع باشد.» بنا به اظهارات هلیر و لینارس هر دو كمپانی ژمسیس و آپولو دیاموند در تلاش اند تا اعتبار سنگ های پرورشی شان را تضمین كنند. برای مثال روی تمام الماس های پرورشی بزرگ تر از یك چهارم قیراط كمپانی ژمسیس، اسم كمپانی و شماره سریالی انحصاری با لیزر حك شده است. همچنین تمام سنگ های بزرگ تر از یك قیراط همراه با تایید نامه رسمی از آزمایشگاه جواهر شناسی اروپا عرضه می شود. اما به اعتقاد ون روین هنوز این پرسش باقی است كه آیا تمام تولید كنندگان الماس لزوماً با وجدان هم خواهند بود. به گفته وی «در پایان انتظار داریم الماس های مصنوعی جایگاه مخصوص به خودی در بازار را پیدا كنند.» برخی دیگر از دست اندركاران صنعت الماس نیز دید بهتری نسبت به این سنگ های پرورشی دارند. به گفته مارتین راپاپورت (M.Rapaport)، رئیس گروه راپاپورت، شبكه ای از كمپانی های درگیر در صنعت الماس «از چشم انداز سیاست عمومی، انواع بیشتر محصول، انتخاب های بیشتر، قسمت های متنوع و رقابت یعنی بازار بهتر. در واقع این شانس منطقی است كه بتوانیم در آینده ای قابل پیش بینی ابعاد صنعت الماس را دو برابر كنیم.» لینارس معتقد است سرانجام این میزان فروش سنگ های قیمتی است كه تنها وسیله پایان بخش به این جدل خواهد بود و بازدهی های بزرگ در دل تكنولوژی های صنعتی است.
دورنمای الماس
ویژگی های ذاتی الماس خالص مثل نارسانایی و رسانایی الكتریكی فوق العاده و نیز عنوان سخت ترین و مقاوم ترین ماده شناخته شده در جهان، آن را تبدیل به ماده طبیعی مناسبی برای كاربرد های صنعتی و الكترونیكی كرده است. به گفته جیمز باتلر «در پنجاه سال آینده تحقیقات شیمیایی الماس در آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده احتمالاً منجر به ظهور لوازم الكترونیكی نوینی خواهد شد كه به راحتی جای سیلیكون به عنوان گزینه ای برای نیمه رساناها را اشغال می كند. به عنوان برخی از كاربرد های عملی الماس می توان به موارد زیر اشاره كرد:
- لوازم الكترونیكی ولتاژ و توان بالا مثل ترن های سریع السیر.
- دستگاه های فركانس بالا مثل رادار های پرقدرت و ایستگاه های مخابراتی سلولی.
- دستگاه های میكرو و نانو الكترو مكانیكی مثل ساعت ها و فیلتر های تلفن های سلولی.
- محاسبات كوانتومی مثل موارد مورد نیاز در ارتباطات امن.
- آشكارساز پرتو های پرانرژی مثل پرتو سنج های پزشكی.
- اپتیك و لیزر های پرقدرت مثل آنچه در كابل و خطوط تلفن یا پنجره شاتل های فضایی به كار می رود.
- الكترود های الماسی مقاوم به خوردگی كه می تواند محیط های آلوده را پاك كند.



مگان سور
كیوان فیض اللهی

منبع : شبکه فیزیکی هوپا