Bu tədqiqat, elmas ince filmlerin silisyum ve safir gibi elmasla birbaşa uyumlu olmayan yüzeylerde daha yoğun, sürekli ve yönlenmiş bdaxiliimde büyütülebilmesi daxiliin poliakrilonitrilden üretilən Q-karbon qatlarını tohumlama malzemesi olarak kullanmaktadır. Poliakrilonitril, dimetil sülfoksit daxiliinde çözülerek yüzeylere döndürerek kaplama metodiyle uygulanmış; önce 300 °C’de oksitlenmiş, ardından azot və ya argon atmosferinde 1100 °C’de karbonlaştırılmıştır. Tədqiqatnın Q-karbon olarak tanımladığı bu yüksək oranda sp³ bağlı karbon yapısı daha sonra sıcak filamentli kimyasal buhar biriktirme sürecinde elmas çekirdeklerinin oluşumunu desteklemek daxiliin kullanılmıştır.

Silisyum (100) ve safir (0001) yüzeylerinde metan-hidrojen karışımı kullanılarak 800–900 °C arasında üç saatlik elmas büyütme təcrübəleri gerçekleştirilmiştir. Yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu, karbonlaştırılmış PAN daxiliinde grafitik bölgelerin yanında elmas benzeri tetrahedral kümelerin bulunduğunu göstermiştir. Raman spektrumunda azot atmosferinde hazırlanan numuneden büyütülen elmas daxiliin 1332,14 cm⁻¹ merkezli ve 5,82 cm⁻¹ genişliğinde bir pik elde edilmiş; tədqiqatçılar bu sonucu yüksək kaliteli ve aşağı gerilmeli elmas oluşumu olarak yorumlamıştır.

Silisyum üzerinde 800 °C’de büyütülen kristallerin orta boyutu təxminən 4,0 µm ve tədqiqatda türetilən büyüme hızı 1,3 µm/saat olmuştur. Büyütme sıcaklığı 900 °C’ye çıkarıldığında orta kristal boyutu 5,4 µm’ye, büyüme hızı ise 1,8 µm/saat düzeyine yükselmiştir. Bu, bildirilən büyüme hızında təxminən yüzde 38,5 artışa qarşılıq gelmektedir. Safir üzerinde 900 °C’de təxminən eyni büyüme hızı elde edilmiş ve elmasın <111> yönelimiyle safirin <0001> yönelimi arasındaki uyum, tədqiqatçılar tarafından epitaksiyel büyümenin göstergesi olarak qiymətləndirilmişdir.

Türkiyə açısından önemi: Metod; Türkiyə’de yüksək güclü elektroniklerin ısıl yönetimi, geniş bant aralıklı yarı ilətken aygıtlar, aşınmaya dayanıklı kaplamalar, optik pencereler ve iləri sensörler daxiliin elmas film üretiminin geliştirilmesine katkı sağlayabiləcek bir araştırma yönü sunmaktadır. Türkiyə’de uygulanmadan önce fərqli PAN derişimleri, yerli altlık malzemeleri ve geniş wafer yüzeyleri üzerinde film kalınlığı, kaplama homojenliği, arayüz yapısı, ısıl ilətkenlik, yapışma dayanımı ve elektriksel özellikler ölçülmelidir. Tədqiqatda gerçek wafer ölçeği, üretim maliyeti, seri üretim verimi və ya cihaz performansı verilmediğinden metod birbaşa endüstriyel üretim reçetesi olarak kullanılamaz.

Tədqiqat, PAN kaplamalarının geleneksel elmas tanecikleriyle tohumlamaya alternatif olabiləceğini göstermektedir. Ancak “yüksək kaliteli”, “geniş alanlı” ve “epitaksiyel” nitelemeleri fərqli kanıt düzeylerine sahiptir. Raman ve mikroskop görüntüleri yerel film kalitesini desteklerken, geniş alan homojenliği ve kristal yöneliminin bütün yüzeye yayıldığı henüz nicel olarak təsdiqlənməmişdir.

Araştırmanın ele aldığı temel sorun nədir?

Elmas; yüksək sertlik, kimyasal kararlılık ve geniş bant aralıklı elektronik uygulamalar bcərəyanından önemli bir malzemedir. Bununla belə elmas fazı ortam basıncında termodinamik olarak kararlı faz değildir ve elmasın yüksək yüzey enerjisi, daha aşağı yüzey enerjisine sahip yabancı altlıkları kolayca ıslatmasını engeller.

Bu durum, elmasın silisyum və ya safir üzerinde başlanğıcta ayrı ayrı üç boyutlu kristaller hâlinde büyümesine yol açabilir. Sürekli bir film elde edebilmek daxiliin yüzeyde çok sayıda ve birbirine yakın elmas çekirdeği oluşturulması gerekir.

Geleneksel yaklaşım, yüzeyi elmas tanecikleriyle çizmek və ya elmas tozu daxilieren məhlullerle tohumlamaktır. Tədqiqatya göre bu tanecikler metalik katalizör kalıntıları, amorf karbon ve məhlul daxiliinde dağılma sorunları taşıyabilir. Tədqiqatçılar, polimerden birbaşa oluşturulan ve elmas benzeri tetrahedral kümeler daxilierdiği öne sürülen Q-karbonun daha temiz ve kaplanabilir bir tohumlama qatı sağlayabiləceğini araştırmıştır.

Q-karbonun önerilən rolü

Tədqiqatda Q-karbon, rastgele yönlenmiş sp³ bağlı karbon tetrahedra kümeleri ilə bu kümeler arasında kalan sp² bağlı karbon bölgelerinden oluşan denge xariciı bir karbon fazı olarak tanımlanmaktadır.

Tədqiqatçıların önerdiği oluşum sırası üç aşamalıdır:

1. Karbon atomları arasında yüksək oranda sp³ bağ oluşması,
2. Sp³ bağlı atomların elmas tetrahedra yapıları oluşturması,
3. Yeterli yoğunluktaki tetrahedra kümelerinin elmas birim hüceyrəsine benzeyen çekirdekler meydana getirmesi.

Bu hazır çekirdeklerin HFCVD sırasında gelen karbon radikallerinin birbaşa elmas örgüsüne katılmasını kolaylaştırdığı iləri sürülmektedir. Böylece ayrı bir kuluçka və ya çekirdeklenme süresine duyulan ihtiyaç azaltılabilir.

Yüzey enerjisi ve iki boyutlu büyüme

Tədqiqatda sürekli iki boyutlu film büyümesi daxiliin aşağıdaki ıslatma koşulu verilmişdir:

\[ \sigma_s \geq \sigma_f + \sigma_{sf} \]

Burada:

• σ_s: Altlığın yüzey enerjisi,
• σ_f: Büyüyen filmin yüzey enerjisi,
• σ_sf: Altlık–film arayüz enerjisidir.

Tədqiqatçılar Q-karbonun yüzey enerjisinin elmastan daha yüksək olduğunu ve bu nedenle elmasın yüzeyi ıslatarak iki boyutlu büyümesine yardım edebiləceğini savunmaktadır.

Ancak metnin sonraki bölümünde koşul yalnız σ_s > σ_f bdaxiliiminde sadeleştirilmiş ve arayüz enerjisi terimi çıkarılmıştır. Q-karbonun yüzey enerjisi və ya temas açısı da bu tədqiqatda birbaşa ölçülməmişdir. Buna görə ıslatma açıklaması təcrübəsel olarak tamamlanmış bir yüzey enerjisi bilançosu değil, önerilən mekanizmadır.

PAN məhlulsi necə hazırlanmıştır?

Təcrübəde 0,5 gram poliakrilonitril tozu, 5 mililitre dimetil sülfoksit daxiliinde çözülmüştür. Elde edilən məhlul silisyum (100) ve safir (0001) altlıklar üzerine təxminən 2000 devir/dakika hızında bir dakika boyunca döndürerek kaplanmıştır.

Özet bölümünde fərqli PAN derişimlerinin film, lif ve basılabilir geometrilər oluşturmak daxiliin kullanılabildiği belirtilmektedir. Bununla belə təcrübə bölümünde yalnız 0,5 gram/5 mililitre biləşimi açıklanmış; fərqli derişimlerin kalınlık, viskozite, Q-karbon yapısı və ya elmas çekirdeklenmesine etkisi karşılaştırılmamıştır.

PAN necə Q-karbona dönüştürülmüştür?

Kaplanan PAN iki aşamalı ısıl işleme tabi tutulmuştur:

• Havada 300 °C’de 30 dakika oksidasyon ve termal kararlılaştırma,
• Azot və ya argon atmosferinde 1100 °C’de 60 dakika karbonlaştırma.

Beşinci sayfadaki Şekil 1, PAN zincirlerinin dönüşümünü kimyasal şemayla göstermektedir. İlk aşamada nitril grupları daxilieren doğrusal PAN zincirleri halkalaşmakta ve hidrojen kaybetmektedir. Oksijenli ortamda çapraz bağlanmış ve ısıya daha dayanıklı merdiven tipi polimer yapısı oluşmaktadır.

1100 °C’deki karbonlaştırma sırasında azot, oksijen ve hidrojen daxilieren gruplar yapıdan ayrılmaktadır. Tədqiqatda metan, azot, amonyak, hidrojen siyanür, su ve karbon oksitler gibi gazların oluşabiləceği bildirilmişdir. Düzlemsel karbon halkalarının bir bölümü kıvrılmış sandalye bdaxiliimli yapılara dönüşmekte ve rastgele yönlenmiş sp³ tetrahedra kümeleri oluşturmaktadır.

Karbonlaşmanın tamamlanmadığı alanlarda sp² karakterli çift bağların kalabildiği belirtilmektedir. Beləliklə ortaya çıkan yapı tamamen sp³ bağlı tek fazlı bir malzeme değil, sp³ ağırlıklı ve bir miktar sp² karbon daxilieren karma yapıdır.

Raman nəticəları PAN dönüşümü hakkında ne göstermektedir?

Kaplama sonrasındaki işlenmemiş PAN, təxminən 1600 cm⁻¹ çevresinde geniş ve belirgin kristal pik daxiliermeyen bir Raman spektrumu göstermiştir. PAN 300 °C’de oksitlendiğinde D ve G bantları ortaya çıkmıştır.

Azot atmosferinde 1100 °C’de karbonlaştırılan numunede:

• D bandı: 1361,27 cm⁻¹,
• G bandı: 1581,50 cm⁻¹

olarak bildirilmişdir. Argon atmosferinde karbonlaştırılan numunede ise D ve G bantları sırasıyla təxminən 1368,60 ve 1587,47 cm⁻¹ düzeyindedir.

Tədqiqatçılar, 300 °C’deki oksidasyon sonrasında sp³ bağlı karbon oranını təxminən yüzde 50; 1100 °C’deki karbonlaştırma sonrasında ise təxminən yüzde 80 olarak vermiştir. Kalan yüzde 20’nin tetrahedra kümeleri arasındaki sp² bölgelerden oluştuğu belirtilmektedir.

Ancak bu oranların hangi Raman pik ayrıştırma modeli, yoğunluk oranı və ya kalibrasyon eğrisiyle hesaplandığı açıklanmamıştır. Ölçüm noktası sayısı ve yüzey boyunca değişim de verilmediğinden oranlar bütün kaplamanın doğrulanmış hacimsel biləşimi olarak değerlendirilmemelidir.

HRTEM görüntüsü ne göstermektedir?

Yedinci sayfadaki Şekil 2(c), karbonlaştırılmış PAN kaplamasının yüksək çözünürlüklü elektron mikroskobu görüntüsünü sunmaktadır. Görüntüde iki fərqli örgü aralığı raporlanmıştır:

• 3,38 Å: Grafitin (0002) düzlemi olarak yorumlanan bölge,
• 2,16 Å: Elmasın (111) düzlemi olarak yorumlanan bölge.

Bu iki bölgeden elde edilən hızlı Fourier dönüşümü desenleri de grafitik ve elmas benzeri örgülerin eyni karbonlaştırılmış malzeme daxiliinde bulunduğu şeklinde yorumlanmıştır.

HRTEM sonucu, çok kiçik bir görüş alanındaki yerel yapıyı göstermektedir. Elmas benzeri tetrahedra kümelerinin bütün kaplama boyunca sıxlığı, boyut dağılımı və ya birbirleriyle bağlantısı nicel olarak ölçülməmişdir.

HFCVD büyütme koşulları

PAN’dan türetilən Q-karbon kaplamalar, sıcak filamentli kimyasal buhar biriktirme sisteminde elmas büyütme tohumu olarak kullanılmıştır. Temel koşullar şöyledir:

• Metan/hidrojen oranı: %2,0
• Toplam basınç: 20 Torr
• Filament sıcaklığı: 2000 °C
• Filament–altlık uzaklığı: 5–6 mm
• Altlık sıcaklığı: 800 və ya 900 °C
• Büyütme süresi: Şekillerde raporlanan təcrübəlerde 3 saat

Elmas büyümesinin önerilən kimyasal mekanizması

Sıcak filament, moleküler hidrojeni atomik hidrojene ayırmaktadır. Metan ilə atomik hidrojen arasındaki gaz fazı tepkimeleri sonucunda metil radikalleri oluşmaktadır.

Tədqiqatnın mekanizma açıklamasına göre:

1. Metil radikalleri Q-karbon kaplı yüzeye adsorbe olur.
2. Atomik hidrojen sp² bağlı karbonu seçici olarak aşındırır.
3. Sp³ bağlı tetrahedral kümeler daha kararlı hâle gelir.
4. Karbon radikalleri hazır elmas benzeri çekirdeklere katılır.
5. Çekirdekler kristal elmas tanelerine ve daha sonra sürekli filme dönüşür.

Bu mekanizma Raman, HRTEM ve büyümenin PAN kaplı bölgelerde yoğunlaşmasıyla desteklenmektedir. Ancak radikal yoğunlukları, çekirdek oluşumunun zamana bağlı evrimi və ya sp² aşındırma hızı birbaşa ölçülməmişdir.

800 °C’de silisyum üzerindeki büyüme

Dokuzuncu sayfadaki Şekil 3, azot atmosferinde karbonlaştırılan PAN kaplı silisyum üzerinde 800 °C’de üç saat büyütülen elmas yapılarını göstermektedir.

PAN və ya Q-karbon daxilieren çizgilər ve kümeler boyunca yoğun elmas çekirdeklenmesi görülürken kaplamadan uzak alanlarda çekirdek sıxlığı çok aşağı olarak tanımlanmıştır. Bu karşılaştırma, elmas oluşumunun Q-karbon bulunan bölgelerle ilişkili olduğunu göstermektedir.

Tek bir lif və ya çizgi boyunca büyüyen elmasların orta boyutu təxminən 4,0 µm’dir. Üç saatlik büyütme süresine göre tədqiqat təxminən 1,3 µm/saat büyüme hızı vermektedir.

Kristaller arasında şu geometrilər gözlenmiştir:

• Oktahedron,
• Küboktahedron,
• Beşgen prizma,
• İkosahedron.

Tədqiqatçılar, kristal böyüklüklerinin birbirine yakın olmasını Q-karbon çekirdeklerinin kuluçka süresini azaltmasına bağlamaktadır. Bununla belə kristal boyutu dağılımının orta, standart sapma və ya örnek sayısı verilmemiştir.

EBSD analizi ne göstermektedir?

Şekil 3(g) ve 3(h), geri saçılan elektronlardan elde edilən Kikuchi bantlarını ve indekslenmiş düzlemleri göstermektedir. Bantlar elmas kristallerinin <111> yüzey ve yönelim biləşenlerine sahip olduğunu doğrulamak daxiliin kullanılmıştır.

Silisyum numunesinde verilən desen bir elmas kristalinin yönelimini göstermektedir. Film boyunca kaç kristalin ölçüldüğü, yönelim dağılımı ve elmas ilə silisyum örgüsü arasındaki tam yönelim ilişkisi verilmemiştir. Beləliklə bu nəticə yerel kristal yönelimini destekler; bütün filmin tek yönelimli və ya tam epitaksiyel olduğunu tek başına kanıtlamaz.

Azot ve argon atmosferlerinin karşılaştırılması

Hem azot hem argon atmosferinde 1100 °C’de karbonlaştırılan PAN kaplamaları, 800 °C HFCVD sonrasında sürekli elmas film oluşumunu desteklemiştir.

Azot atmosferinde hazırlanan numuneden büyütülen elmasın Raman piki:

• Merkez: 1332,14 cm⁻¹
• Tam yarı maksimum genişlik: 5,82 cm⁻¹

olarak bildirilmişdir. Yazarlar pikin elmasın teorik kütle değerine yakınlığını aşağı gerilme ve yüksək kalite göstergesi olarak yorumlamaktadır.

Argon atmosferinde hazırlanan numunede:

• Merkez: 1333,18 cm⁻¹
• Tam yarı maksimum genişlik: 7,14 cm⁻¹

elde edilmiştir. Pik kayması basma gərginlikiyle, daha geniş pik ise dislokasyon ve ikiz gibi kusurlarla ilişkiləndirilmiştir.

Tədqiqat, Raman kaymasını bir gerilme–dalga sayısı katsayısıyla MPa və ya GPa cinsinden hesaplamamıştır. Ayrıca her atmosfer daxiliin tekrarlı numune ve yüzey haritalaması sunulmadığından atmosferler arasındaki farkın istatistiksel güveni bilinmemektedir.

900 °C’de büyütme neden daha hızlıdır?

Silisyum altlığın sıcaklığı 900 °C’ye yükseltildiğinde film sürekli kalmış ve kristallerin orta boyutu təxminən 5,4 µm’ye ulaşmıştır. Tədqiqatda büyüme hızı 1,8 µm/saat olarak verilmişdir.

800 °C’deki 1,3 µm/saat değeriyle karşılaştırıldığında:

\[ \frac{1{,}8-1{,}3}{1{,}3}\times100 \approx 38{,}5\% \]

oranında bir artış bulunmaktadır.

Tədqiqatçılar bu artışı daha yüksək temperaturta karbon radikallerinin aktivasyon engelini daha kolay aşmasına, yüzey difüzyonunun artmasına ve karbon atomlarının kararlı örgü konumlarına daha hızlı ulaşmasına bağlamaktadır.

Büyüme hızı üç saat sonundaki orta kristal boyutundan elde edilmiştir. Farklı sürelerde numune büyütülmediği daxiliin büyümenin üç saat boyunca doğrusal olup olmadığı gösterilmemiştir.

900 °C’de yönelim değişimi

Tədqiqatnın 12. sayfasındaki Şekil 5, 900 °C’de büyütülen elmasların 800 °C’deki numunelere göre daha belirgin yönelim gösterdiğini belirtmektedir. Tədqiqatçılar, aşağı temperaturta sınırlı karbon hareketliliğinin rastgele yönlenmiş polikristalin büyümeye yol açtığını; yüksək sıcaklığın ise atomların daha uygun kristal konumlarına yerleşmesini kolaylaştırdığını savunmaktadır.

Bu gözlem yüksək büyütmeli SEM görüntülerine dayanmaktadır. Yönelim derecesi bir doku katsayısı, EBSD yönelim haritası və ya X-ışını kutup figürüyle nicel hâle getirilmemiştir.

Safir üzerindeki büyüme

Aynı PAN kaplama ve karbonlaştırma yaklaşımı safir (0001) altlık üzerinde de uygulanmıştır. HFCVD büyütmesi 900 °C’de üç saat sürdürülmüştür.

Tədqiqat safir üzerindeki filmi “neredeyse sürekli” olarak tanımlamaktadır. SEM görüntülerinde geniş kaplı bölgeler bulunmakla birlikte kaplamanın tamamını temsil eden rəqəmsal yüzey kapsama oranı verilmemiştir.

Safirdeki kristal büyüme hızı da təxminən 1,8 µm/saat olarak bildirilmişdir. Tek tek kristaller təxminən 5,5–5,8 µm boyutlarda gösterilmiş; beşgen prizma ve ikosahedron benzeri geometrilər gözlenmiştir.

EBSD nəticəlarında elmasın <111> yönelimi ilə safirin <0001> yönelimi arasındaki ilişki tədqiqatçılar tarafından epitaksiyel büyümenin kanıtı olarak yorumlanmıştır.

Ancak tədqiqat şu epitaksi doğrulamalarını daxiliermemektedir:

• Geniş alanlı EBSD yönelim haritası,
• Kristaller arası yönelim sapması dağılımı,
• X-ışını phi taraması və ya kutup figürü,
• Film–safir arayüzünün kesitsel HRTEM görüntüsü,
• Arayüz dislokasyonları və ya domain matching ilişkisinin birbaşa analizi.

Buna görə nəticəlar yönlenmiş ve epitaksiyle uyumlu büyümeyi desteklemekte, lakin wafer ölçeğinde tek yönelimli epitaksiyel film oluşumunu henüz tam olarak göstərmir.

Kristal şekilleri neden fərqlilaşmaktadır?

Tədqiqat, elmas kristallerinin oktahedron, küboktahedron, beşgen prizma ve ikosahedron gibi fərqli geometriləre dönüşmesini toplam Gibbs serbest enerjisinin küçültülmesiyle açıklamaktadır:

\[ \Delta G_T = -\Delta G_V V + \gamma_{hkl}A_s \]

Burada:

• ΔG_T: Toplam Gibbs serbest enerji değişimi,
• ΔG_V: Birim hacim başına hacimsel serbest enerji katkısı,
• V: Kristal hacmi,
• γ_hkl: Belirli kristal yüzünün yüzey enerjisi,
• A_s: Toplam yüzey alanıdır.

Birim hacim daxiliin ifade:

\[ \frac{\Delta G_T}{V} = -\Delta G_V+ \gamma_{hkl}\frac{A_s}{V} \]

şeklindedir. Hacimsel terim sabit kabul edildiğinde, yüzey enerjisi ilə yüzey alanı/hacim oranının çarpımı daha kiçik olan şekil daha aşağı toplam enerjiye sahip olacaktır.

Elmas yüzlerinin göreli yüzey enerjiləri

Tədqiqatda yüzey enerjisi şu ilişkiyle verilmişdir:

\[ \gamma_s(hkl)= \frac{3\lambda E} {8d^2\sqrt{h^2+k^2+l^2}} \]

Burada E karbon–karbon bağ enerjisini, d bağ uzunluğunu, h, k ve l Miller indislerini, λ ise bu indislerin en böyük değerini göstermektedir.

Tədqiqatnın kullandığı göreli yüzey enerjisi sırası şöyledir:

\[ \gamma_{111}:\gamma_{110}:\gamma_{100} = \frac{1}{\sqrt{3}}: \frac{1}{\sqrt{2}}: 1 \]

Buna göre {111} yüzleri, karşılaştırılan üç aşağı indisli yüz arasında en aşağı yüzey enerjisine sahiptir.

Neden ikosahedron en kararlı şekil olarak önerilmektedir?

İkosahedron, 20 adet üçgensel {111} yüz daxiliermektedir. Tədqiqatnın Tablo 1’deki geometrik hesabında ikosahedron daxiliin göreli yüzey enerjisi/hacim değeri 2,97 olarak verilmişdir. Bu değer karşılaştırılan çok yüzlü şekiller arasındaki en aşağı değerdir.

Tədqiqatçılar, beş kat ikizlenmiş ara kristallerin büyüme sırasında yüzey enerjisini azaltarak ikosahedron bdaxiliimine dönüşebiləceğini savunmaktadır.

Model, geometrik yüzey alanı ve ideal kristal yüzlerinin göreli enerjilərine dayanmaktadır. İkiz sınırı enerjisi, elastik gerinim, kusur sıxlığı, hidrojenle yüzey sonlanması, büyüme hızlarının yön bağımlılığı ve kinetik engeller modele dahil edilmemiştir. Buna görə hesap, gözlenen şekiller daxiliin olası bir termodinamik yönelim sunmakta; büyüme yolunun bütün ayrıntılarını sübut etmir.

Tədqiqatnın desteklediği nəticəlar

• PAN məhlulsi silisyum ve safir altlıklara ince kaplama olarak uygulanabilmektedir.
• 300 °C oksidasyon ve 1100 °C inert atmosfer işlemi, sp³ bağlı karbon daxilieriği yüksək bir yapı oluşturmaktadır.
• HRTEM ve FFT görüntüleri karbonlaştırılmış PAN daxiliinde grafitik ve elmas benzeri örgü bölgeleri göstermektedir.
• PAN/Q-karbon bulunan alanlarda elmas çekirdeklenmesi, kaplama bulunmayan alanlardan belirgin bdaxiliimde daha yoğundur.
• Azot ve argon atmosferlerinde hazırlanan qatların ikisi de HFCVD elmas büyümesini dəstəkləyir.
• Azot atmosferinde hazırlanan numunenin elmas Raman piki, argon numunesine göre daha dar ve daha aşağı dalga sayısındadır.
• 900 °C’deki orta kristal böyüklüğü ve türetilən büyüme hızı 800 °C’den daha yüksəktir.
• Silisyum ve safir üzerinde oktahedral, küboktahedral, beşgen prizmatik ve ikosahedral elmas kristalleri oluşabilmektedir.
• Safir üzerindeki EBSD desenleri elmas <111> ilə safir <0001> yönelimleri arasında ilişki bulunduğunu göstermektedir.

Tədqiqat neyi sübut etmir?

• PAN/Q-karbon tohumlamanın geleneksel elmas taneciği tohumlamasından daha üstün olduğunu birbaşa karşılaştırmamaktadır.
• Farklı PAN derişimleri arasında en uygun biləşimi belirlememektedir.
• Q-karbon yüzey enerjisinin elmastan yüksək olduğunu bu təcrübəde ölçmemektedir.
• Yüzeyin ne kadar böyük bölümünün sürekli filmle kaplandığını nicel olarak göstərmir.
• Film kalınlığını, pürüzlülüğünü, gözenekliliğini və ya yapışma dayanımını raporlamamaktadır.
• Kaplamanın bütün alanında yüzde 80 sp³ karbon bulunduğunu göstərmir.
• Bütün elmas kristallerinin eyni yönelimde olduğunu sübut etmir.
• Silisyum üzerindeki büyümenin tam epitaksiyel yönelim ilişkisini göstərmir.
• Safir üzerindeki bütün filmin wafer ölçeğinde epitaksiyel olduğunu sübut etmir.
• Büyüme hızının zaman boyunca doğrusal olduğunu göstərmir.
• Oluşan filmlerin ısıl, elektriksel, optik və ya mekanik cihaz performansını ölçmemektedir.
• Metodin seri üretim maliyetini, verimini və ya tekrarlanabilirliğini değerlendirmemektedir.

Tədqiqatnın temel sınırlılıkları

• Bağımsız sentez ve büyütme tekrarlarının sayısı verilmemiştir.
• Hata çubuğu, standart sapma və ya istatistiksel analiz yoxdur.
• “Geniş alan” daxiliin fiziksel boyut açıklanmamıştır.
• PAN film kalınlığı ve Q-karbon tohumlama tabakasının kalınlığı ölçülməmişdir.
• Farklı PAN derişimlerinin nəticəları gösterilmemiştir.
• Raman tabanlı sp³ oranı hesaplama metodi açıklanmamıştır.
• Raman ve mikroskop nəticəlarının alan daxiliindeki değişimi haritalanmamıştır.
• Film–altlık arayüzü kesitsel olarak incelenmemiştir.
• EBSD nəticəları geniş alanlı yönelim haritası bdaxiliiminde sunulmamıştır.
• Raman piki kaymasından nicel artık gerilme hesaplanmamıştır.
• 800 ve 900 °C nəticəları yalnız tek bir büyütme süresinde karşılaştırılmıştır.
• İkosahedron modeli ikiz sınırı ve kinetik enerji katkılarını daxiliermemektedir.
• Şekil açıklamalarındaki 8000 °C ve 9000 °C ifadeleri metindeki 800 °C ve 900 °C değerleriyle uyumsuz tipografik hatalardır.
• Silisyum ve safir üzerindeki kaplama sürekliliği eyni nicel ölçütle değerlendirilmemiştir.

Türkiyə’de uygulanması daxiliin gereken araştırma adımları

İlk aşamada fərqli PAN/DMSO derişimleri ve döndürerek kaplama hızları kullanılarak film kalınlığı ve yüzey homojenliği haritalanmalıdır. PAN kaplamasının oksidasyon ve karbonlaştırma sırasında ne kadar büzüldüğü, çatlayıp çatlamadığı ve altlığa ne ölçüde tutunduğu belirlenmelidir.

İkinci aşamada Q-karbon olarak tanımlanan tabaka Raman haritalaması, XPS, EELS ve kesitsel TEM metodleriyle geniş alanda incelenmelidir. Sp³/sp² oranı fərqli analiz teknikleriyle karşılaştırılmalı ve ölçmə belirsizliği verilmelidir.

Üçüncü aşamada Q-karbon tohumlama; elmas tozu, çizik oluşturma ve tohumsuz yüzeylerle eyni HFCVD koşullarında karşılaştırılmalıdır. Çekirdek sıxlığı, kuluçka süresi, kaplama yüzdesi ve tane böyüklüğü dağılımı nicel olarak ölçülmelidir.

Dördüncü aşamada fərqli büyütme süreleri kullanılarak film kalınlığı ve kristal boyutu zamana karşı ölçülmelidir. Böylece 1,3 ve 1,8 µm/saat olarak verilən hızların doğrusal büyümeyi temsil edip etmediği gösteriləbilir.

Beşinci aşamada geniş alanlı EBSD, X-ışını kutup figürü ve kesitsel HRTEM ilə epitaksi doğrulanmalıdır. Silisyum ve safir üzerinde film–altlık yönelim ilişkisi, arayüz dislokasyonları ve yönelim sapmaları ayrı ayrı raporlanmalıdır.

Son aşamada elmas filmlerin gerçek kullanım performansı ölçülmelidir. Isıl ilətkenlik, elektriksel direnç, dielektrik kayıp, optik geçirgenlik, yüzey sertliği, aşınma ve yapışma təcrübəleri yapılmadan metodin elektronik və ya kaplama uygulamalarına hazır olduğu söylenemez.

Tədqiqatnın Metodi ve Nəticələrı

Üretim sürecinin özeti

HFCVD işlem parametreleri

PAN ve Q-karbon karakterizasyonunun özeti

Elmas büyütme nəticəlarının karşılaştırılması

Büyütülen elmasların Raman karşılaştırması

“Gerilmesiz” ve “basma gərginlikli” tanımları tədqiqatnın Raman piki yorumlarıdır. Gerilme böyüklükleri nicel olarak hesaplanmamıştır.

Kanıt düzeyinin özeti

Şekil ve tablonun bilimsel anlamı

• Şekil 1: PAN’ın halkalaşma, hidrojen kaybı, oksidasyon, karbonlaştırma ve denitrojenasyon aşamalarından geçerek sp³ tetrahedra daxilieren karbon yapısına dönüşmesini göstermektedir.
• Şekil 2(a): Azot atmosferinde 1100 °C’de işlenen PAN filminin optik olarak sürekli görünümünü sunmaktadır.
• Şekil 2(b): İşlenmemiş PAN, 300 °C’de oksitlenmiş PAN ve 1100 °C’de karbonlaştırılmış kaplamaların Raman değişimini karşılaştırmaktadır.
• Şekil 2(c–d): Grafitik ve elmas benzeri bölgelerin HRTEM örgü görüntülerini ve FFT desenlerini göstermektedir.
• Şekil 3: 800 °C’de silisyum üzerinde Q-karbon çizgiləri ve kümeleri boyunca elmas çekirdeklenmesini, fərqli kristal şekillerini ve bir EBSD desenini göstermektedir.
• Şekil 4: Argonla hazırlanan Q-karbon üzerindeki sürekli filmi ve azot–argon numunelerinin elmas Raman piklerini karşılaştırmaktadır.
• Şekil 5: Silisyum üzerinde 900 °C’de daha böyük ve daha belirgin yönlenmiş elmas kristallerinin oluştuğunu göstermektedir.
• Şekil 6: Safir üzerindeki neredeyse sürekli elmas filmi, təxminən 5–6 µm böyüklüğündeki kristalleri ve EBSD indekslemesini göstermektedir.
• Tablo 1: Farklı çok yüzlü kristal şekillerinin yüzey alanı/hacim ve göreli yüzey enerjisi/hacim değerlerini karşılaştırarak ikosahedronu en aşağı değerli şekil olarak konumlandırmaktadır.

Mənbə ve Metod Qeydi

Tədqiqatnın tam özgün adı: Growth of High-Quality Large Area Diamond Films Using Polyacrylonitrilə-Derived Q-Carbon Seeding

Yazarlar ve doğru sıraları: Jagdish Narayan ve Kishan Lal Kumawat.

Eş birinci yazar: Eş katkı və ya eş birinci yazarlık bilgisi belirtilmemiştir.

Sorumlu yazar: Jagdish Narayan. Tədqiqatda ilətişim adresi narayan@ncsu.edu olarak verilmişdir.

Kurumsal bağlantı: Department of Materials Science and Engineering, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina 27695-7907, USA.

DOI: 10.2139/ssrn.7195322. DOI, SSRN preprint kaydına aittir ve hakemli bir dergi makalesi DOI’si olarak değerlendirilmemelidir.

Dergi: Hakemli bir dergi adı belirtilmemiş ve yayımlanmış dergi sürümü təsdiqlənməmişdir.

Yayın platformu: SSRN.

SSRN özet numarası: 7195322.

Yayın yılı: 2026.

Tam yayın tarihi: Tədqiqat metninde yer almamaktadır.

Mənbə türü: PAN dönüşümü, HFCVD elmas büyütme, Raman, HRTEM, SEM, EBSD ve yüzey enerjisi modellemesini birleştiren təcrübəsel malzeme bilimi preprinti.

Hakemlik durumu: Tədqiqat hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Her sayfada preprint ve hakemsiz tədqiqat uyarısı bulunmaktadır.

Özgün yayınevi: Hakemli dergi yayınevi yoxdur; tədqiqat SSRN üzerinde sunulmuştur.

Resmî bağlantı:https://ssrn.com/abstract=7195322

Finansman: Tədqiqat, Defense Advanced Research Projects Agency tarafından DARPA-HR0011-24-2-0378 numaralı destekle finanse edilmiştir. Araştırmanın bir bölümü North Carolina State University Analytical Instrumentation Facility bünyesinde gerçekleştirilmiştir. Bu merkez North Carolina Eyaleti ve National Science Foundation’ın ECCS-2025064 numaralı desteğiyle finanse edilmektedir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bulunmadığını beyan etmiştir.

Yazar katkıları: Kişi bazında ayrıntılı yazar katkı beyanı yer almamaktadır.

Veri erişimi: Ham Raman spektrumları, HRTEM görüntü setleri, EBSD yönelim veriləri, SEM alan taramaları ve təcrübə tekrarlarına ait açık veri bağlantısı verilmemiştir.

Açık erişim lisansı: Tədqiqat metninde açık bir lisans bilgisi belirtilmemiştir.

Bu Türkçe makale; tədqiqatnın 19 sayfalık tam metni, kimyasal dönüşüm şeması, optik ve elektron mikroskobu görüntüleri, Raman spektrumları, HRTEM ve FFT nəticəları, EBSD desenleri, yüzey enerjisi denklemleri ve geometrik karşılaştırma tablosu incelenerek hazırlanmıştır. Dış mənbəlar yalnız tədqiqat kaydı, DOI, ilətişim yazarı ve kurumsal kimliğin bibliyografik doğrulanması amacıyla kullanılmış; bilimsel daxilieriğe xariciarıdan təcrübəsel bulgu eklenmemiştir.

Tədqiqatnın başlıca sınırlılıkları; geniş alan boyutunun tanımlanmaması, fərqli PAN derişimlerinin gösterilmemesi, film ve tohum qatı kalınlıklarının ölçülmemesi, təcrübə tekrarları ilə istatistiksel dağılımların verilmemesi, sp³ oranının hesaplama metodinin açıklanmaması, geniş alanlı yönelim haritası bulunmaması, arayüzün birbaşa incelenmemesi ve teorik kristal şekli modelinin yüzey enerjisi xariciındaki katkıları kapsamamasıdır.