摘要】提到「鑽石」──這人見人愛，燦爛奪目的寶石，每個人莫不怦然心動。但是您知這嗎？在它背後所蘊含的科學，更值得我們來探討。
1955 年冬天的某個下午，在美國紐約州史奈他地（Schenectady）鎮，從奇異公司研究發展中心大門，駛出一輛汽 車，車子主人溫特夫（R.Wentorf Jr.），神色興奮地在附近的雜貨鋪買了一瓶花生醬回來，然後當晚在該中心高壓實驗中，成功地利用花生醬製造出「鑽石粒」。從此展開了鑽石新的生命。
溫 特夫等人製造鑽石的程序，是運用高壓（4～6萬大氣壓）、高溫（1700K）和長時間的反應，類似天然鑽石在地球內部形成 的條件。而不同的條件和觸媒劑可以合成出性質和大小不同的鑽石，所以奇異公司位於俄亥俄州渥興頓市（Wothington）的超級研磨中心，至今仍是世界 上製造人造鑽石和其他研磨材料的領導者。
為什麼學科學的我們要談「合成鑽石」呢？我們不是企求價昂的寶石賣錢，而是希望能開發出鑽石在科 學中的應用。我們知道鑽石是 地球上已知最硬和傳熱最快的物質，所以它可以用來切割或研磨其他任何物體，至於傳熱的性質則一直未曾應用，一直要到1970年代末期人們才開始用到（請參 閱本刊十八卷九期〈從石刀石斧到太空梭〉一文）。
話說CVD
1960年，一個以德雅金（B.Deryaguin）為首的蘇 俄研究群，成功地利用「化學氣態蒸鍍法」（chemical vapor deposition, CVD）合成出「鑽石薄膜」，但是因為薄膜成長速率極低（0.01微米／每小時），沒有引起人注意。到了1976年德雅金等人又說，他們可以每小時一個微 米的成長厚度來合成鑽石薄膜，但是對詳細的程序條件卻守口如瓶。此舉引不起全世界有關研究者的注意力，其實這其中還牽涉到旁人對於德雅金小組的研究態度的 持疑。因為在1970年代初期，德雅金宣稱他們發現了一種聚合態的水，而令人害怕的是海洋的水很可能某一時候會轉變成此種聚合態水，引起當時人們憂心忡 忡，真是世界末日來到。可是不久之後大家證明德雅金的發現純屬無稽之談，就因為這樣，數年之後，當德雅金宣稱成長速率可以達到每小時1微米時，沒有人願意 相信和接受。
但是終究有人把德雅金的話當真，日本的研究團體很認真地重複德雅金的實驗；1982年開始，日本國立無機材科研究所的科學 家，陸續發表了數篇有關CVD鑽石技術的文章，文中很明確地指出：在何種狀態之下可以達到德雅金的速率。接著全世界其他地方的科學家，都重複出日本的實驗 結果；到了此時，所謂「鑽石熱」就在全世界各地燃燒起來了，人們也開始利用到鑽石的傳熱性質。
什麼是CVD呢？
CVD技術 其實十分簡單（見圖一），首先把氫氣和含碳氫氣體（通常是甲烷）通過氣體調節器之後，輸入到已抽至低壓（10-3torr） 的反應室內（兩種氣體的比例可以經由調節器控制），然後用電熱絲或微波源，或者無線電波源（RF）來加熱混合氣體至2000℃；在這個溫度下，氫氣和甲烷 會分解成氫原子和碳原子形成電漿流，然後碳原子會在已熱至600～1000℃的基質上，結核長膜。而剩下的廢氣，用真空抽氣機抽至室外，以避危險（氫氣會 自燃）。
很奇怪的是氫原子在這過程中的角色。既然鑽石是純碳結構，為何還需要氫氣呢？大部分的研究者認為，氫原子扮演了舉足輕重的角色。 我們從化學課本中可知道，在鑽石中每一個碳原子和其他四個鄰近碳原子，各以共價鍵相連（sp3立體結構）；如果在CVD成核階段時，沒有足夠的碳原子來結 成sp3立體結構，那很可能會以sp2平面結構的石墨出現（見圖二），而氫原子的功用是能把未被結合成sp3立體結構的多餘碳原子聯起來，不讓它跑掉，直 到另外的碳原子來取代它的地位，然後讓氫原子跑走。
照以上的描述，也許你會推論：大量增加碳原子的數目（甲烷的分量），應該會加快碳原子結 核速率。但是實際上，目前已知最好成 長速率的實驗狀態是：甲烷占總氣體體積（甲烷加氫氣）的0.5～1.5％。鑽石的形成似乎存在一個自然法則，而我們絲毫不知。雖然我們對於鑽石形成的詳細 機制無法確知，但是大家並不氣餒，反而更積極地嘗試錯誤，不斷改進；仔細想起來是有點好笑，就像一位廚房新手在做菜一樣，不知道要加多少調味料才會好吃； 於是一時之間，科學家儼然變成現代的「煉金師」了。
高明的「試金石」
在基質上合成的物質如何知道就是鑽石呢？這是很重要的 一步，通常我們用下列數種方法來驗證：硬度試驗、掃描式電子顯微儀 （SEM）、Ｘ射線繞射法、拉曼頻譜（Raman spectroscopy）和反射式高能電子繞射法（RHEED）。在此筆者並不解釋幾種方法原理，而僅提出有關試驗鑽石的結果。
硬度試驗 是利用微維克（micro-Vicker）方法，來測定合成物的硬度是否達到天然鑽石的硬度值 ──7,000～10,000公斤／平方毫米。因為這個方法簡單易測，所以通常是第一個採取的檢測方法，如果檢測出硬度值在標準範圍內，則從事進一步較精 確的檢測方法；如果不在期望值之內，那就把它丟在一旁吧。
要測定鑽石，在1960年代時還是一項費時而困難的工作，即使在今日我們還是必 須非常小心的；1986年日本大阪大學的研究 群（K.Kitahama為首）發表文章說：他們在40～800℃之間用雷射光當做熱源，成功地合成了鑽石，他們用了電子繞射法來驗證結果。如果這是真的 話，那確是一項鑽石技術上的一個突破（尤其是在接近室溫）。但是直到1988年末，其他的研究者才用了拉曼頻譜術，證明大阪大學的結果是錯誤的。因為鑽石 和石墨的電子繞射譜是挺相似的，所以單是電子（或Ｘ光）繞射法不足以完完全全證明鑽石。
我們在此為鑽石下一個操作型定義：真正的鑽石鍍膜必須用掃描式或穿隧式電子顯微儀檢明結晶結構，並用Ｘ射線或電子繞射法檢查單相晶體結構，再用拉曼頻譜術檢查出強而窄的1332cm-1譜線。
圖 三是鑽石在掃描式電子顯微鏡下的樣子，圖四是立方鑽石的Ｘ射線繞射圖樣，我們可以從圖樣中計算出結晶平面的間距，然後拿此 數據與美國物質測試學會（ASTM）的基本鑽石資料比對，即可得知大概。而RHEED方法得出之數據與此相同，亦可拿來比對；圖五是鑽石RHEED的繞射 條紋和數據對照。拉曼頻譜術對於任何類似鑽石而非鑽石的結構特別有用，所以用它來測量鑽石薄膜的完美性是很理想的。圖六是天然鑽石，高品質合成鑽石薄膜和 含石墨的鑽石薄膜的拉曼頻譜比較。
鑽石極品，無與倫比
雖然大部分的研究者都還在研究鑽石CVD鍍膜技術，但是已經有商業化的CVD產品問世了，在此略舉數件，讀者便知道它的好處了。
第 一件商業CVD產品是日本JVC出產的高頻揚聲器，他們把類鑽石鍍在揚聲器中的振動膜上，因鑽石具高傳聲速度、高頑抗性和 低重量之性質，使它更容易振動出更高頻的聲音，於是高頻失真性大為減低，只是它的價格昂貴，只供專業人士使用。美國加州Crystallume公司出產一 種Ｘ射線（或紅外線）光窗，因為鑽石對於Ｘ射線（及可見光）的高透明性，所以使得分析物質中例如碳、氮和氧之工作更為便利（見圖七）。另外，日本精工公司 計畫推出表殼玻璃上鍍著鑽石的表，你可以想像得出那種表耐磨又防老化。
同時我們可以猜想得出其他尚未問世的產品，例如把鑽石鍍在眼鏡片 上，既防磨損又摔不破；我們也可以製造出非常大而薄的玻璃 窗，只要把鑽石鍍在表面，那我們便不怕它易碎了。因為鑽石的折射率（n＝2.42）很高，我們可以用它來當做過濾片或者防止反射的薄膜，以致我們可以把它 應用在光通訊、光計算和積體光學等方面。
當然鑽石薄膜在半導體工業方面的應用是較受人注意的，高密度的積體電路是希望能把電子行走路線縮 短以增快訊號傳輸速率。但是 這有幾點困難：電磁波干涉（暫且不論）和散熱率不好；我們在使用學校大電腦時，經常會遇到莫名其妙的當機，大部分是因為機器散熱不佳以致當機；如果我們把 鑽石鍍膜技術用到積體電路上，增加每個晶片的散熱性，將會大大增加現有電腦的可靠性，並會改變未來積體電路的設計原則。
鑽石技術是新而有 潛力的研究領域，往往靠著個人的靈機一動即可帶來新的突破；1990年七月奇異公司宣布，它利用本身已有的 製造鑽石粒之高壓技術和現今的CVD合成鑽石技術，成功地合成出比天然鑽石傳熱性更快，且不受雷射光損傷的鑽石，因而轟動一時。1988年，日本幾位研究 者更是厲害，他們在大氣壓力之下使用氧乙炔（銲接用），在950℃時成功合成出單晶或複晶狀鑽石，令人叫絕（見圖八）。
圖九是一棵「鑽石 樹」，說明鑽石合成技術是以化學、物理工程學和材料科學為根基，而它的應用分支十分的多。依照筆者接觸所 及，認為涉及之實驗設備並不昂貴，所占空間也不大，適合小的研究組來研究，如果假以時日，持續不斷地做，必會覺得這是一個投資報酬率高且一本萬利的事業。
參考資料：
1.Boggs R., 1989, "Diamond thin film", Design News,70～75, April 10.
2.Amato I., 1990, "Diamond fever", Science News, 138:72～74, August 4.
3.Bachmann P. and Messier R., 1989, " Enering technology diamond thinfilms", C & EN, 24～39, May 15.
4.Matsumoto S. et. al., 1982, "Vapor deposition of diamond particles from methane", JJAP, 21: 183～185, April.
楊天行就讀於美國麻州羅威爾大學物理系研究所
引用出處：
http://campus2.chgsh.chc.edu.tw/science/content/1991/00010253/0007.htm
歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCBN刀具、PCD刀具、單晶刀具、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、航空機械鉸刀、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！
BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com/ / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’POWDER FORMING MACHINE’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in grooving floors’V-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’ PCD Diamond Tool’ Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
Bewise Inc. www.tool-tool.com
ようこそＢｅｗｉｓｅ Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな
情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。
弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、
豊富なパリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。
弊社は各領域に供給できる内容は：
（１）精密ＨＳＳエンド・ミルのＲ＆Ｄ
（２）Carbide Cutting tools設計
（３）鎢鋼エンド・ミル設計
（４）航空エンド・ミル設計
（５）超高硬度エンド・ミル
（６）ダイヤモンド・エンド・ミル
（７）医療用品エンド・ミル設計
（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計
弊社の製品の供給調達機能は：
（１）生活産業～ハイテク工業までのエンド・ミル設計
（２）ミクロ・エンド・ミル～大型エンド・ミル供給
（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給
（４）オートメーション整備調達
（５）スポット対応～流れ生産対応
弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。
Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.
BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.
BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.
沒有留言:
張貼留言