Diamanter blir var mans egendom

Diamanter är inte bara vackra. Förutom att de tillhör de allra dyrbaraste ädelstenarna, har de egenskaper som gör dem överlägsna i många tekniska sammanhang. Ren diamant är helt genomskinlig och elektriskt isolerande. Samtidigt leder diamant värme och ljud bättre än något annat material och har dessutom god motståndskraft mot kemikalier av alla slag.

Inom tekniken är diamant mest känd för sin hårdhet, inget material kan tävla med diamant i detta avseende. En ren diamantkristall består av enbart kolatomer, där varje atom binds till fyra andra kolatomer med hjälp av korta och mycket starka bindningar (bild 2). Nätverket av bindningar gör kristallen både hård och styv.

På grund av sin hårdhet och kemiska motståndskraft har diamant länge använts som slipmedel. Naturligt diamantgrus har utnyttjats (bild 1), men även konstgjort. Det svenska företaget Asea utvecklade redan på 1950-talet en process där grafit, ett annat material bestående av enbart kol, omvandlas till diamant. Denna process, som numera är en standardmetod, sker under högt tryck och hög temperatur i närvaro av en metallkatalysator. Resultatet blir små diamantkorn, liknande mörkgrå sand. Trots att kristallerna är förorenade och defekta duger de ändå bra som slipmedel.

Numera finns även andra sätt att tillverka diamant. Man utgår då från mycket het kolhaltig gas vid lågt tryck. I detta tillstånd blir kolatomerna obundna och kan fås att kondensera mot en yta. Resultatet blir att ett tunt skikt av små diamantkristaller växer fram på ytan. Till skillnad från Asea-processens lösa korn sitter dessa kristaller fast i varandra. Kristallerna hålls ihop av ett enkelt skikt av atomer där en del av bindningarna är ordnade som i grafit (bild 2). Varken diamantens värmeledande förmåga eller dess hårdhet påverkas särskilt mycket av den korniga strukturen (bild 4).

Teknik och kemi i mikroformat

På Ångströmslaboratoriet i Uppsala konstruerar vi tredimensionella komponenter av diamant. Materialets egenskaper gör att det är mycket svårt att bearbeta både mekaniskt och kemiskt, men två metoder kringgår detta om strukturerna är i mikroskala.

En metod är att först tillverka formar av kisel. Därefter låter vi kol kondensera enligt metoden ovan. Formens hela yta beläggs då med små diamantkristaller. När formen är fylld fräts kislet bort på kemisk väg, och det lilla föremålet är klart att använda (bild 3).

På detta sätt har det bl a tillverkats komponenter av diamant för röntgenteknik i miniatyrform (bild 6, se också Minimal röntgen gör stor nytta, F&F 6/02). Förhoppningsvis kan en sådan miniatyriserad källa användas för medicinsk strålbehandling utan att skada annan vävnad än den som behöver bestrålas. Strålkällan kan också användas i bärbar utrustning för materialanalys, t ex för att undersöka miljöföroreningar.

Vi har också framställt diamantytor fulla med spetsar och eggar för slipning och polering av hårda material (bild 5). Innan kislet tas bort kan man lägga ett stödjande lager av t ex nickel på skiktet av diamant.

En konsekvens av diamantens hårdhet och kemiska stabilitet är att den har mycket låg friktion mot de flesta material. Detta leder till små energiförluster och en mycket hög slitstyrka i mekaniska komponenter av olika slag (bild 7).

Diamant är ett idealiskt material för kemisk apparatur i miniatyrformat eftersom materialet ogärna reagerar med andra ämnen. Dessutom kan man dra nytta av materialets förmåga att leda värme. Ofta förändras temperaturen vid kemiska reaktioner, vilket lätt kan ge oönskade biprodukter. Detta gäller särskilt vid tillverkningen av läkemedel. Men om reaktionerna sker i mycket små utrymmen av diamant är det möjligt att hålla temperaturen nära nog konstant. Genom att lägga diamant runt strängar av kisel som sedan etsas bort har vi lyckats skapa mycket tunna rör – s k kapillärer – och kammare i mikroformat där kemiska rektioner kan ske.

Diamant med mikroskopiska strukturer kan också användas i optik för laserutrustning i tillämpningar som svetsning och skärning. Vi har utvecklat en ny metod som särskilt passar optik. I skivor av diamant etsas grunda mönster med hjälp av syre i plasmatillstånd. När detta energirika syre träffar kristallens yta reagerar det med kolet vilket förbränns till koldioxid. För laseroptik krävs emellertid diamant av en kvalitet som inte tillverkas i Sverige. Men det går att köpa sådant material eller få det av andra europeiska forskargrupper som vi samarbetar med.

För diamantkomponenter som är millimeterstora eller mindre är materialkostnaden nästan försumbar, och därmed är det redan i dag ekonomiskt och tekniskt möjligt att utnyttja de speciella fördelar som diamant erbjuder.

En enda diamantkristall

I framtiden kommer diamant sannolikt att få avgörande betydelse också inom elektroniken. Ett stort steg var när man i mitten av 1990-talet lyckades förbättra metoden att framställa diamant ur kalkhaltig gas så att resultatet blev beläggningar bestående av en enda kristall. Därmed öppnade sig möjligheter att konstruera elektroniska komponenter av diamant.

De kemiska bindningarna mellan kolatomerna i en perfekt diamantkristall är sådana att det inte finns några obundna elektroner som lätt kan röra sig i kristallen. Därför är ren diamant elektriskt isolerande. Men precis som kisel kan diamant göras elektriskt ledande genom att man dopar kristallen, dvs tillför ytterst små mängder av något ämne som stör kristallen.

Diamant är i många avseenden överlägsen som elektroniskt material. Bindningarna mellan diamantens atomer gör att materialet tillåter betydligt högre elektrisk spänning och att dess laddningar rör sig lättare än i andra halvledarmaterial som kisel, kiselkarbid och galliumnitrid. Detta gör det möjligt att tillverka elektroniska komponenter med låga effektförluster och för högre frekvenser än vad som är möjligt i kisel och andra halvledarmaterial.

Det stora problemet har varit att få fram tillräckligt rena kristaller. Naturliga diamanter duger inte, de innehåller för mycket föroreningar som hindrar laddningar att röra sig i materialet. (Som jämförelse kan nämnas att kisel för elektroniska tillämpningar har en renhet på 99,999999999 procent och är det renaste material som finns i dag.) Dessutom är tillräckligt stora, naturliga diamanter både sällsynta och dyra.

Syntetisk diamant har tills helt nyligen inte heller kunnat göras tillräckligt ren, men utvecklingen går snabbt framåt. För ett par månader sedan rapporterades ett stort genombrott i den vetenskapliga tidskriften Science. En av oss, Jan Isberg, har tillsammans med svenska och brittiska industriforskare tagit fram kristaller av diamant som är tillräckligt rena för att användas i elektronik (bild 8).

Vid tillverkningen låter man kol kondensera från en blandning av het metangas (som innehåller kol) och vätgas på diamantkristaller av lägre kvalitet. Den högkvalitativa diamanten som växer fram kan sedan avskiljas från underlaget av diamant med lägre kvalitet. Underlaget kan sedan återanvändas. I dag framställer man diamanter som är 5 5 5 millimeter och 1 millimeter tjocka.

Diamanten kan dopas genom att man tillför bor medan den växer. De första enkla elektronikkomponenterna som tillverkats med hjälp av detta material är dioder – komponenter som bara släpper igenom ström i en riktning. Dessa dioder tål över 2 000 volt utan att bryta samman. I framtiden siktar vi på att göra dioder för ännu högre spänningar än vad som är möjligt med kisel och transistorer som kan användas vid mycket höga frekvenser. Sådana komponenter kan användas t ex i basstationer för mobiltelefoni och i radaranläggningar.

en framtid kommer vi att träffa på diamant i många oväntade sammanhang. Diamantens användbarhet i tekniska sammanhang är långt ifrån färdigutforskad.