نیمه رسانایی به نام الماس

شاید به زودى تصور متداول درباره الماس ها، به کلى دگرگون شود. الماس هایى که به خاطر زیبایى، کمیاب بودن و زمان طولانى تولیدشان ارزش فوق العاده اى داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانى حدود یک ساعت به وجود مى آیند. اینکه این دگرگونى چه تاثیرى در صنعت جواهرسازى یا قیمت الماس هاى طبیعى در بازار خواهد داشت هنوز در پرده اى از ابهام است. اما درباره نقش این الماس هاى آزمایشگاهى در تکنولوژى، شایعه هایى برخاسته از مجامع علمى به گوش مى رسد.

                                                                
بیشتر از هشتاد درصد از الماس هاى معدنى طبیعى به مصارف صنعتى از قبیل ابزارهاى برش یا مواد ساینده براى تراشکارى و پرداخت دیگر سنگ هاى قیمتى، فلزات، گرانیت و شیشه مى رسند. استفاده از الماس به عنوان نیمه رسانا نیز نیازمند شرایط ویژه اى مثل بالاترین درجه خلوص، بهترین بلورینگى و تعیین اتم ها به لحاظ الکتریکى فعال براى ایجاد گذرگاه الکتریکى در وسیله مورد نظر است. اما تمامى الماس هاى طبیعى به خاطر نقص ها، ناخالصى ها و ساختار ضعیف شان براى مصارف الکترونیکى نامناسبند. حتى با اینکه الماس هاى مصنوعى و طبیعى داراى کیفیت جواهرى بسیار ارزشمند هستند، اما ممکن است به خاطر رگه هاى ناچیز ناخالصى ها براى استفاده به عنوان نیمه رسانا مناسب نباشند. در واقع تنها خالص ترین این سنگ ها در کاربردهاى الکترونیکى پرقدرت از سلفون ها گرفته تا کامپیوترهاى شخصى و خطوط ارتباطاتى قابل استفاده اند.

به گفته جیمز باتلر (J.Butler)، یکى از شیمیدانان محقق در آزمایشگاه تحقیقات نیروى دریایى ایالات متحده، به لحاظ تاریخى سه مشکل عمده سر راه استفاده از الماس هاى طبیعى در کاربردهاى الکترونیکى وجود داشته است. الماس هاى طبیعى همیشه به شکل بازدارنده اى براى استفاده همه جانبه گران بوده اند و یافتن سنگ هاى بزرگ با خلوص کافى نیز بسیار دشوار است. علاوه بر این هیچ دو سنگى دقیقاً شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد در هر یک مى تواند مشکلاتى را در مدارهاى الکترونیکى به بار آورد. آخرین مشکل در استفاده از الماس براى کاربردهاى الکترونیکى و کامپیوترى نیز نیاز به دو نوع الماس یعنى سنگ هاى نوع n و p براى هدایت الکترونیکى بوده است.

 

در دستگاه هاى مجتمع باید از هر دو نوع الماس نیمه رساناى n و p، استفاده کرد اما الماس هاى نوع n به طور طبیعى وجود ندارند و الماس هاى نوع p الماس آبى، به قدرى نادرند که هیچ راه مقرون به صرفه اى براى استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماس هاى مصنوعى این مشکلات را برطرف مى کنند. به گفته رابرت لینارس (R.Linares)، بنیان گذار کمپانى آپولو دیاموند براى مثال مى توان با افزودن ناخالصى فلز برون به الماس، نوع P یعنى الماس آبى را تولید کرد. به طور مشابه دانشمندان مى توانند با افزودن فسفر به الماس هاى بى رنگ، الماس نوع n را نیز تولید کنند. ما براى استفاده از الماس به نوع نیمه رسانا در دستگاه هاى الکترونیکى پرقدرت نیاز به ترکیبى لایه اى از این دو نوع الماس داریم. علاوه بر این با توجه به اینکه الماس هاى بى رنگ خالص در عمل بیشتر از آنکه رسانا باشند عایق هستند، مى توان لایه هایى از آنها را به این ترکیب افزود.

 

امروزه نیمه رساناهاى بسیارى مثل سیلیکون در گستره وسیعى از دستگاه هاى الکترونیکى به کار مى روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتى و سرعت فوق العاده بیشترش، تنها در مقایسه با خلاء است که عنوان دومین نیمه رساناى برتر جهان را به خود اختصاص مى دهد. الماس با داشتن چنین ویژگى هایى و به خصوص امروز که آزمایشگاه قادر به تولید سنگ هاى خالص و ناخالص کنترل شده اند، مى تواند پایه گذار انواع سراسر نوینى از دستگاه هاى الکترونیکى پرقدرت باشد. با اینکه استفاده از الماس در صنایع الکترونیک به چند دهه دیگر واگذار شده است اما به اعتقاد لینارس این سنگ قیمتى صنایع نیمه رساناسازى را به کلى دگرگون خواهد کرد.

 

الماس به طور طبیعى تحت فشارهاى زیاد اعماق زمین و در زمانى طولانى شکل مى گیرد. اما در آزمایشگاه مى توان به کمک دو فرآیند مجزا در زمانى بسیار کوتاه تر الماس تولید کرد. فرآیند فشار بالا _ دما بالا (HP HT) اساساً تقلیدى است از فرآیند طبیعى شکل گیرى الماس در حالى که فرآیند رسوب گیرى بخار شیمیایى (CVD) دقیقاً خلاف آن عمل مى کند. در واقع CVD به جاى وارد کردن فشار به کربن براى تولید الماس با آزاد گذاشتن اتم هاى کربن به آنها اجازه مى دهد با ملحق شدن به یکدیگر به شکل الماس درآیند.

 

این دو تکنیک براى اولین بار در دهه 1950 کشف شدند. به گفته باتلر که هفده سال روى تولید الماس با استفاده از تکنیک CVD کار کرده است «از آنجا که پیشگامان تولید الماس بدون فشار بالا در دهه 1950 با تمسخر سایرین از میدان به در شدند. تکنولوژى CVD هنوز دوران کودکى اش را سپرى مى کند.» هر دو فرآیند قادرند با سرعتى خیره کننده الماس هایى با کیفیت جواهر تولید کنند اما در نهایت این فرآیند CVD است که به خاطر کنترل ساده ناخالصى و اندازه محصول براى تکنولوژى هاى الکترونیکى مناسب ترین خواهد بود.

 

فرآیند CVD با قرار دادن ذره بسیار کوچکى از الماس در خلأ آغاز مى شود. سپس گازهاى هیدروژن و متان به محفظه خلأ جریان مى یابند. در ادامه پلاسماى تشکیل شده باعث شکافته شدن هیدروژن به هیدروژن اتمى مى شود که با متان واکنش مى دهد تا رادیکال متیل و اتم هاى هیدروژن به وجود آیند. رادیکال متیل نیز به ذره الماس مى چسبد تا الماس بزرگ شود. رشد الماس در تکنیک CVD، فرآیندى خطى است، بنابراین تنها عوامل محدودکننده اندازه محصول در این روش بزرگى ذره ابتدایى و زمان قرار دادن آن در دستگاه است.

 

به گفته دیوید هلیر (D.Hellier)، رئیس بخش بازاریابى کمپانى ژمسیس، «فرآیند HP HT نیز با ذره کوچکى از الماس آغاز مى شود. هر ذره الماس در محفظه هاى رشدى به اندازه یک ماشین لباسشویى، تحت دما و فشار بسیار بالا درون محلولى از گرانیت و کاتالیزورى فلزى غوطه ور مى شود. در ادامه تحت شرایط کاملاً کنترل شده اى این الماس کوچک به تقلید از فرآیند طبیعى، مولکول به مولکول و لایه به لایه شروع به رشد مى کند.» گرچه جنرال الکتریک در تولید الماس ها به این روش پیشگام است و الماس هاى ساخته شده با تکنیک HP HT را براى مصارف صنعتى به بازار عرضه مى کرد اما تا پیش از آنکه کمپانى ژمسیس با ساده سازى این فرآیند امکان تولید نمونه هایى با کیفیت جواهر را فراهم کند، هرگز آن الماس ها به عنوان سنگ هاى قیمتى به فروش نرسیده بودند.

 

امروز هر دو کمپانى آپولو دیاموند و ژمسیس الماس هاى جواهرى مى فروشند. این الماس هاى «پرورشى» با قیمتى بسیار پایین تر از الماس طبیعى به فروش مى رسد. به گفته هلیر «کمپانى ژمسیس از سال 2003 الماس هاى مصنوعى را با قیمت یک چهارم تا یک پنجم قیمت نمونه طبیعى به بازار عرضه مى کند که از لحاظ رنگ، شفافیت، برش و قیراط مشابه سنگ هاى قیمتى طبیعى است. در واقع الماس هاى زینتى مصنوعى بخش کوچک و در عین حال پرسودى از صنعت الماس را تشکیل مى دهند. این الماس هاى رنگى که در مقایسه با همتاهاى بى رنگ شان فوق العاده کمیاب و در نتیجه بسیار گران بها ترند با توجه به نوع ناخالصى ها در رنگ هاى گوناگون از قرمز و صورتى گرفته تا آبى، سبز و حتى زرد روشن و نارنجى تولید مى شوند. به گفته لینارس: «گرچه آپولو دیاموند به زودى الماس هایى به رنگ آبى، صورتى و مشکى را عرضه خواهد کرد اما این کمپانى با فروش الماس هاى بى رنگ مسیر متفاوتى را در پیش گرفته است.»

 

در واقع این الماس ها مى توانند چنان کیفیت بالایى داشته باشند که حتى ماشین هاى ساخته شده براى تشخیص سنگ هاى مصنوعى از طبیعى در تفکیک شان از یکدیگر دچار مشکل شوند، همان طور که امروزه برخى از بزرگ ترین الماس فروشان در صنعت نیز به زحمت از پس آن برمى آیند. شباهت فوق العاده نمونه هاى مصنوعى و طبیعى باعث شده است تا تاجران الماس براى تشخیص الماس هاى رنگى مصنوعى از سنگ هاى طبیعى دست به دامن آزمایشگاه هاى الماس بلژیک و دیگر نقاطى شوند که به طور سنتى عهده دار تجزیه و تحلیل و تایید الماس ها از نظر بزرگى قیراط، رنگ و شفافیت هستند. به گفته جف ون روین (J.Van Royen)، یکى از فیزیکدانان شوراى عالى الماس آنتورپ «وظیفه ما حمایت از انجمن هاى الماس با یافتن شیوه هایى براى شناسایى الماس هاى مصنوعى و دست کارى شده است و با تکنولوژى فعلى مان کاملاً مطمئن هستیم که مى توانیم از پس این کار بر بیاییم. اما با پیشرفته تر شدن تکنولوژى هاى رشد و دستکارى الماس، این تکنولوژى فعلى دیگر ابزار مطمئنى نخواهد بود.»

 

آزمایشگاه آنتورپ و چند تایى دیگر در سراسر جهان براى تشخیص الماس هاى مصنوعى به طور عمده از دو نوع دستگاه استفاده مى کنند. در دستگاه نوع اول با تابش نور به الماس مشخصات طیفى نور جذب یا ساطع شده تجزیه و تحلیل مى شود. اگر نشانه هایى از الماس مصنوعى مشاهده شد، آزمایشگاه دستگاه دوم را به کار مى گیرد که این دستگاه براى آشکار ساختن ساختار درونى کریستال از نور فرابنفش استفاده مى کند. به گفته ون روین «این دستگاه ها نقص هاى موجود در الماس را حتى در مقیاس میکروسکوپى یا اتمى نیز بررسى مى کنند. ما در اینجا ساختار هاى رشد الماس را بررسى مى کنیم.» در واقع الماس ها نیز درست مثل درختان داراى حلقه هاى رشدى در اطراف هسته درونى هستند. الماس هایى که در آزمایشگاه تولید یا براى تغییر رنگ دستکارى شده باشند، ساختار رشد متفاوتى از خود نشان مى دهند. بنابراین با اینکه آزمایشگاه ها با استفاده از این دستگاه ها قادر به تشخیص الماس هاى مصنوعى از طبیعى هستند اما نگرانى عمده در صنعت الماس جایى است که افراد بدون این دستگاه ها توانایى تشخیص سنگ هاى مصنوعى را نخواهند داشت.

 

به گفته ون روین «بیشتر مشترى یا حتى جواهرفروشان قادر به بیان تفاوت این دو نمونه نیستند. با اینکه صنعت الماس هیچ مشکلى با الماس هاى مصنوعى ندارد، آنها مصرانه مى خواهند که این نمونه هاى مصنوعى به روشنى برچسبى داشته باشند تا مشترى نسبت به آنچه خریدارى مى کند کاملاً مطلع باشد.» بنا به اظهارات هلیر و لینارس هر دو کمپانى ژمسیس و آپولو دیاموند در تلاش اند تا اعتبار سنگ هاى پرورشى شان را تضمین کنند. براى مثال روى تمام الماس هاى پرورشى بزرگ تر از یک چهارم قیراط کمپانى ژمسیس، اسم کمپانى و شماره سریالى انحصارى با لیزر حک شده است. همچنین تمام سنگ هاى بزرگ تر از یک قیراط همراه با تایید نامه رسمى از آزمایشگاه جواهر شناسى اروپا عرضه مى شود. اما به اعتقاد ون روین هنوز این پرسش باقى است که آیا تمام تولید کنندگان الماس لزوماً با وجدان هم خواهند بود. به گفته وى «در پایان انتظار داریم الماس هاى مصنوعى جایگاه مخصوص به خودى در بازار را پیدا کنند.»

 

برخى دیگر از دست اندرکاران صنعت الماس نیز دید بهترى نسبت به این سنگ هاى پرورشى دارند. به گفته مارتین راپاپورت (M.Rapaport)، رئیس گروه راپاپورت، شبکه اى از کمپانى هاى درگیر در صنعت الماس «از چشم انداز سیاست عمومى، انواع بیشتر محصول، انتخاب هاى بیشتر، قسمت هاى متنوع و رقابت یعنى بازار بهتر. در واقع این شانس منطقى است که بتوانیم در آینده اى قابل پیش بینى ابعاد صنعت الماس را دو برابر کنیم.» لینارس معتقد است سرانجام این میزان فروش سنگ هاى قیمتى است که تنها وسیله پایان بخش به این جدل خواهد بود و بازدهى هاى بزرگ در دل تکنولوژى هاى صنعتى است.

 

ویژگى هاى ذاتى الماس خالص مثل نارسانایى و رسانایى الکتریکى فوق العاده و نیز عنوان سخت ترین و مقاوم ترین ماده شناخته شده در جهان، آن را تبدیل به ماده طبیعى مناسبى براى کاربرد هاى صنعتى و الکترونیکى کرده است. به گفته جیمز باتلر «در پنجاه سال آینده تحقیقات شیمیایى الماس در آزمایشگاه تحقیقاتى نیروى دریایى ایالات متحده احتمالاً منجر به ظهور لوازم الکترونیکى نوینى خواهد شد که به راحتى جاى سیلیکون به عنوان گزینه اى براى نیمه رساناها را اشغال مى کند. به عنوان برخى از کاربرد هاى عملى الماس مى توان به موارد زیر اشاره کرد: