פחמן דמוי יהלום

פחמן דמוי יהלום, מכונה DLC (ראשי תיבות של Diamond-Like Carbon) הוא סוג של חומרי פחמן אמורפי המציגים כמה מהמאפיינים האופייניים של יהלום. DLC מיושם בדרך כלל כציפויים לחומרים אחרים שיכולים להפיק תועלת מתכונות כאלה.

DLC קיים בשבע צורות שונות כולן מכילות כמויות משמעותיות של אטומי פחמן הכלאיים, sp3. הסיבה שישנם סוגים שונים היא שאפילו יהלום ניתן למצוא בשני סוגים גבישיים. הנפוץ יותר משתמש בסריג קובייה, בעוד שלפחות נפוץ, "lonsdaleite", יש סריג משושה. על ידי ערבוב של פולי-טיפוסים אלה בקנה מידה ננו, ניתן ליצור ציפוי DLC שבאותו הזמן הם אמורפיים, גמישים, ועם זאת עם ליכוד יהלום sp3 בלבד". הקשה, החזק והחלקלק ביותר הוא פחמן אמורפי טטרהדרלי (ta-C). Ta-C יכול להיחשב לצורה ה"טהורה" של DLC, מכיוון שהוא מורכב כמעט כולו מאטומי פחמן קשורים sp3. חומרי מילוי כגון מימן, פחמן-גרפיטי sp2 ומתכות משמשים ב-6 התצורות האחרות כדי להפחית את הוצאות הייצור או להקנות תכונות רצויות אחרות.

ניתן ליישם את הצורות השונות של DLC כמעט על כל חומר התואם לסביבת ואקום.

 היסטוריה 
בשנת 2006, השוק של ציפוי DLC במיקור חוץ נאמד בכ-30,000,000 אירו באיחוד האירופי.

בשנת 2011, חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד הכריזו על יהלום אמורפי קשה במיוחד בתנאי לחץ אולטרה-גבוה. היהלום חסר את המבנה הגבישי של היהלום אך הוא בעל משקל קל המאפיין פחמן.Yu Lin, Li Zhang, Ho-kwang Mao, Paul Chow, Yuming Xiao, Maria Baldini, Jinfu Shu, and Wendy L. Mao. "Amorphous diamond: A high-pressure superhard carbon allotrope". Physical Review Letters, 2011

בשנת 2021, חוקרים סיניים הכריזו על AM-III, צורה סופר קשה, מבוססת פולרן, של פחמן אמורפי. זהו גם מוליך למחצה עם טווח פס של 1.5 עד 2.2 eV. החומר הדגים קשיות של 113 GPa במבחן קשיות של Vickers לעומת שיעור של יהלומים בסביבות 70 עד 100 GPa. זה היה מספיק קשה לגרד את פני השטח של יהלום.

 הבחנה מיהלום טבעי וסינתטי 
יהלום המופיע באופן טבעי נמצא כמעט תמיד בצורה הגבישית עם כיוון מעוקב בלבד של אטומי פחמן קשורים sp3. לפעמים יש פגמי סריג או תכלילים של אטומים של יסודות אחרים שנותנים צבע לאֶבן, אבל סידור הסריג של הפחמנים נשאר מעוקב והקשר הוא sp3 בלבד. האנרגיה הפנימית של הפוליטייפ המעוקב מעט נמוכה מזו של הצורה המשושה וקצבי הצמיחה מחומר מותך בשיטות ייצור יהלומים סינתטיים טבעיים ותפזורת הם איטיים מספיק כדי שמבנה הסריג יספיק לצמוח בצורה הנמוכה ביותר באנרגיה (קובית). זה אפשרי לחיבור sp3 של אטומי פחמן. לעומת זאת, DLC מיוצר בדרך כלל על ידי תהליכים שבהם פחמנים מקדימים באנרגיה גבוהה (כגון בפלזמות, בתצהיר קשת קתודי מסונן, בתצהיר ספוטר ובתצהיר קרן יונים) מתקררים או מכבים במהירות על משטחים קרים יחסית. באותם מקרים ניתן לערבב באופן אקראי סריגים מעוקבים ומשושים, שכבה אחר שכבה אטומית, מכיוון שאין זמן פנוי לאחת מהגאומטריות הגבישיות לצמוח על חשבון השנייה לפני שהאטומים "יקפאו" במקומם בחומר. ציפוי DLC אמורפי יכול לגרום לחומרים שאין להם סדר גבישי ארוך טווח. ללא סדר טווח ארוך אין מטוסי שבר שבירים, ולכן ציפויים כאלה הם גמישים ותואמים לצורה הבסיסית המצופה, תוך שהם עדיין קשים כמו יהלום. למעשה מאפיין זה נוצל כדי לחקור שחיקה או בלאי אטום אחר אטום בקנה מידה ננומטרי ב-DLC.

 הפקה 
שמאל|ממוזער| תמונת SEM של העתק מצופה זהב של ציפוי ta-C "דמוי יהלום". יסודות מבניים אינם גבישים אלא הם גושים של אטומי פחמן קשורים sp3. הגרגרים כל כך קטנים עד שהמשטח נראה חלק במראה לעין.
ישנן מספר שיטות לייצור DLC, המסתמכות על הצפיפות הנמוכה יותר של sp2 מאשר sp3 פחמן. אז היישום של לחץ, השפעה, קטליזה, או שילוב כלשהו של אלה בקנה מידה אטומי יכול לאלץ אטומי פחמן קשורים sp2 קרוב יותר זה לזה לקשרי sp3. זה חייב להיעשות בצורה מספיק נמרצת כדי שהאטומים לא יוכלו פשוט להתפרק ולהיפרדות האופייניות לקשרי sp2. בדרך כלל טכניקות משלבות דחיסה כזו עם דחיפה של המקבץ החדש של פחמן קשור sp3 עמוק יותר לתוך הציפוי, כך שאין מקום להתרחבות חזרה להפרדות הדרושות לקשירת sp2 ; או שהאשכול החדש נקבר על ידי הגעת פחמן חדש המיועד למחזור ההשפעות הבא. סביר לראות את התהליך כ"ברד" של קליעים המייצרים גרסאות מקומיות, מהירות יותר, ננומטריות של השילובים הקלאסיים של חום ולחץ המייצרים יהלום טבעי וסינתטי. מכיוון שהם מתרחשים באופן עצמאי במקומות רבים על פני השטח של סרט או ציפוי צומחים, הם נוטים לייצר אנלוגי של רחוב מרוצף אבן כאשר המרוצפים הם גושים או מקבצים של פחמן קשור sp3. בהתאם ל"מתכון" המסוים שבו נעשה שימוש, ישנם מחזורים של שקיעת פחמן והשפעה או פרופורציות מתמשכות של פחמן חדש המגיע וקליעים המעבירים את ההשפעות הדרושות לאלץ את היווצרותם של קשרי sp3. כתוצאה מכך, ל-ta-C עשוי להיות מבנה של רחוב מרוצף אבן, או שהגושים עשויים "להימס" כדי ליצור משהו יותר כמו ספוג או שהחלוקים עשויים להיות כל כך קטנים עד שהם כמעט בלתי נראים להדמיה. מורפולוגיה "בינונית" קלאסית ל-ta-C מוצגת באיור.

 תכונות 
כפי שמשתמע מהשם, פחמן דמוי יהלום (DLC), ערכם של ציפויים כאלה נובע מהיכולת שלהם לספק חלק מהמאפיינים של יהלום למשטחים של כמעט כל חומר. התכונות הרצויות העיקריות הן קשיות, עמידות בפני שחיקה וחלקלקות (מקדם חיכוך סרט DLC כנגד פלדה מלוטשת נע בין 0.05 ל-0.20). מאפייני DLC תלויים מאוד בפרמטרים של עיבוד פלזמה כמו השפעת מתח הטיה, עובי ציפוי DLC,Effect of Diamond like Carbon Coating Thickness on Stainless Steel Substrate by Abdul Wasy Zia et al, עובי בין שכבות, וכו'. יתר על כן, הטיפול בחום גם מתנה תכונות ציפוי כגון קשיות, קשיחות וקצב בלאי.

 קשיות 
בתוך ה"אבני ריצוף", גושים, אשכולות או "ספוגים" (הנפחים שבהם ההתקשרות המקומית היא sp3) זוויות הקשר עשויות להיות מעוותות מאלו שנמצאות בסריגים מעוקבים או משוושים טהורים בגלל ערבוב בין השניים. התוצאה היא מתח פנימי (דחיסה) שעלול להראות כמוסיף לקשיות הנמדדת עבור דגימה של DLC. קשיות נמדדת לעיתים קרובות על ידי שיטות ננו-אינדנטציה שבהן חרט מחודד דק של יהלום טבעי נדחף אל פני השטח של דגימה. אם הדגימה כל כך דקה שיש רק שכבה אחת של גושים, אז החרט עשוי להיכנס לשכבת ה-DLC בין אבני המרוצף הקשות ולדחוף אותן זו מזו מבלי לחוש את הקשיות של הנפחים המחוברים sp3. המדידות יהיו נמוכות. לעומת זאת, אם חרט החיטוט נכנס לסרט עבה מספיק כדי שיהיו לו כמה שכבות של גושים כך שלא ניתן לפזר אותו לרוחב, או אם הוא נכנס על גבי אבן מרצפת בשכבה אחת, אז הוא ימדוד לא רק את הקשיות האמיתית של היהלום. הדבקה, אך קשיות לכאורה גדולה עוד יותר מכיוון שלחץ הלחיצה הפנימי באותם גושים יספק עמידות נוספת לחדירת החומר על ידי החרט. מדידות ננו-אינדנטציה דיווחו על קשיות של עד 50% יותר מהערכים של יהלום גבישי טבעי. מכיוון שהעט קהה במקרים כאלה או אפילו שבור, המספרים האמיתיים של קשיות העולים על זה של יהלום טבעי הם חסרי משמעות. הם רק מראים שהחלקים הקשים של חומר ta-C אופטימלי ישברו יהלום טבעי ולא היפוך. עם זאת, מנקודת מבט מעשית אין זה משנה כיצד מתפתחת העמידות של חומר DLC, זה יכול להיות קשה יותר מיהלום טבעי בשימוש. שיטה אחת לבדיקת קשיות הציפוי היא באמצעות מטוטלת פרסוז.

 הדבקה של ציפוי DLC 
אותו מתח פנימי שמטיב עם הקשיות של חומרי DLC מקשה על הדבקת ציפויים כאלה למצעים שיש להגן עליהם. הלחצים הפנימיים מנסים "לפוצץ" את ציפוי ה-DLC מהדגימות הבסיסיות. החיסרון המאתגר הזה של קשיות קיצונית נענה בכמה דרכים, בהתאם ל"אמנות" המסוימת של תהליך הייצור. הפשוט ביותר הוא לנצל את הקשר הכימי הטבעי המתרחש במקרים שבהם יוני פחמן תקפים מספקים את החומר שייפגע לתוך אטומי פחמן קשורים sp3 ואת האנרגיות המשפיעות שדוחסות נפחי פחמן מתעבים קודם לכן. במקרה זה יוני הפחמן הראשונים ישפיעו על פני הפריט המיועד לציפוי. אם פריט זה עשוי מחומר היוצר קרביד כמו Ti או Fe בפלדה תיווצר שכבת קרביד שנקשרת מאוחר יותר ל-DLC שגדל עליו. שיטות אחרות של קשר כוללות אסטרטגיות כגון הפקדת שכבות ביניים בעלות מרווחים אטומיים המדרגים מאלה של המצע לאלו האופייניים לפחמן קשור sp3. בשנת 2006 היו מתכונים מוצלחים להדבקת ציפוי DLC כמו שהיו מקורות של DLC.

 קישורים חיצוניים 

 הערות שוליים 

קטגוריה:פחמן: אלוטרופים