گرافیت گیرولیتیک
گرافیت گیرولیتیک

پدیده‌ای به نام گرافیت پیرولیتیک

گرافیت پیرولیتیک، شکل چند کریستالی(Polycrystalline) گرافیتی است که با تجزیه حرارتی یک هیدرو‌کربن ساده مانند متان، از فاز بخار تبدیل به مولکول‌های کربن جامد می‌شود. گرافیت پیرولیتیک ماده‌ای ساخته دست بشر و شبیه به گرافیت است با این تفاوت که بین لایه‌های گرافنی آن پیوند‌های کووالانسی وجود دارد. گرافیت ساختاری لایه‌ای دارد و هر اتم کربن در هر لایه با سه اتم مجاور خود پیوند دارد. ساختار اتمی گرافیت، یک شبکه دو بعدی از شش ضلعی‌ها‌ست که لایه‌های اول و سوم آن دقیقا منطبق بر یکدیگر‌ند. در حالی‌که لایه دوم نسبت به این دو لایه کمی جابه‌جا‌شدگی(Displacement) دارد. اما ماده نشانده شده تحت عنوان گرافیت پیرولیتیک، شامل لایه‌هایی از صفحات مواج و پیچ خورده متشکل از اتم‌های کربن آرایش یافته در ساختار شش ضلعی است. این صفحات متقابلا به صورت موازی با یکدیگر قرار دارند اما به صورت تصادفی حول محور عمود بر صفحه لایه نشانی(محور C) چرخیده‌اند. ساختار لایه‌بندی شده، دارای پیوند‌های کووالانسی قوی درون لایه‌ای و پیوند‌های ضعیف الکترواستاتیک(واندر‌والسی) بین لایه‌ها، منجر به درجه بالایی از ناهمسان‌گردی در تمام خواص می‌شود. گرافیت پیرولیتیک، ذاتا در دمای اتاق شکننده است.

ویژگی‌های حرارتی و الکتریکی

با توجه به تفاوت ساختاری موجود بین گرافیت پیرولیتیک و گرافیت تجاری متداول، باید انتظار ویژگی‌های متفاوتی نیز از این ماده داشت. از ویژگی‌های حرارتی و الکتریکی این ماده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  1. انبساط حرارتی خطی
  2. هدایت گرمایی بیشتر از چهار برابر مس
  3. مقاومت الکتریکی بسیار بالا در جهت موازی با صفحه لایه نشانی(عمود بر محور C)
  4. عایق حرارتی بسیار مناسب و هدایت الکتریکی بسیار بالا در جهت عمود بر صفحه لایه نشانی(موازی با محور C)

ویژگی‌های مکانیکی و مغناطیسی

از دیدگاه مکانیکی، مقاومت نهایی گرافیت پیرولیتیک در تنش، خمش و فشرده سازی با افزایش دما به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. همچنین از نظر مغناطیسی، این ماده در دمای اتاق، یک ماده دیامغناطیس قوی است(X =-4 × ۱۰).

شناوری مغناطیسی(Magnetic Levitation)

شناوری مغناطیسی(Magnetic Levitation)، از پدیده‌هایی است که با استفاده از موادی با خاصیت دیامغناطیسی بالا قابل اجرا و کاربرد است. گرافیت پیرولیتیک، با توجه به ویژگی دیامغناطیسی بالایی که دارد گزینه مناسبی برای اثر شناوری مغناطیسی است.

کاربرد‌های گرافیت پیرولیتیک

از کاربرد‌های گرافیت پیرولیتیک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • استفاده در صنایع موشک‌سازی به عنوان هادی گرمایی قوی و خنک‌کننده
  • استفاده در راکتورهای هسته‌ای به صورت پوشش تعدیل‌کننده نوترونی
  • استفاده در ادوات الکترونیکی به عنوان هدایت‌کننده گرما(Heat Sink)
  • استفاده در ساخت سازه‌های شبکه در برخی از لامپ‌های خلاء با قدرت بالا
  • استفاده در صنایع خوردرو‌سازی به منظور ایجاد میزان مشخصی از اصطکاک بین دو قطعه
  • استفاده در صنایع مهندسی پزشکی مثلا در ساخت قلب مصنوعی، دریچه‌های قلبی و رگ‌های مصنوعی به علت عدم شکل‌گیری سریع لخته خون روی این ماده    

برای استفاده از گرافیت پیرولیتیک در صنعت لایه نازک و نیمه هادی‌ها، می‌توان این ماده را به روش اسپاترینگ لایه نشانی کرد. گرافیت پیرولیتیک به صورت تارگت اسپاترینگ در بازار موجود و قابل تهیه است. لایه نشانی گرافیت معمولی با استفاده از روش اسپاترینگ به علت بازده اسپاترینگ پایین گرافیت، کار دشوار و زمانبری است. تارگت گرافیت پیرولیتیک، با استفاده از روش CVD یا (Chemical Vapor Deposition) ایجاد می‌شود که تراکمی به مراتب بیشتر از تارگت گرافیت داشته و تخلخل کمتری دارد. در نتیجه بازده اسپاترینگ آن، بیشتر است و پدیده Outgassing کمتر در آن اتفاق می‌افتد.

در طی فرایند خلاء، اتم‌های گاز جذب شده توسط دیواره محفظه، به آرامی از سطوح دیواره محفظه، آزاد می‌شوند.

پدیده Outgassing

جدول بازده اسپاترینگ حاوی اطلاعاتی راجع به بازده اسپاترینگ در ولتاژ مشخص بر حسب الکترون ولت می باشد.

جدول بازده اسپاترینگ - Sputtering Yield

محصولات شرکت پوشش های نانوساختار

برای ایجاد لایه نازک‌هایی از جنس گرافیت پیرولیتیک می‌توان از سیستم‌های لایه نشانی در خلاء ساخت شرکت پوشش های نانوساختار، در مدل‌های مختلف که قادر به انجام لایه نشانی به روش اسپاترینگ هستند، استفاده کرد. محصولات شرکت پوشش های نانوساختار که قادر به انجام اسپاترینگ هستند، با توجه به تعداد کاتد‌ها، نوع منبع تغذیه، ابعاد محفظه و میزان خلاء نهایی، به مدل‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. مدل‌های DST3 ،DST1-300 ،DSCT  و DST3-T از جمله محصولاتی هستند که می‌توانند با روش اسپاترینگ، مواد گوناگون را لایه نشانی کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد محصولات این شرکت به سایت آن، مراجعه نمایید.

DST3، یک سیستم لایه نشانی در خلاء به روش اسپاترینگ(کند و پاش) با محفظه شیشه‌ای و پمپ توربومولکولار می‌باشد.

DST3-T، یک سیستم لایه نشانی در خلاء با محفظه شیشه‌ای بزرگ و پمپ توربومولکولار می‌باشد.

یک دستگاه اسپاترینگ و لایه نشان کربن خلاء بالا، با دو در قابل تعویض به منظور انجام فرایند اسپاترینگ و تبخیر حرارتی کربن می‌باشد.

DST1-300، یک سیستم لایه نشانی تحت خلاء به روش اسپاترینگ(کند و پاش) با محفظه شیشه‌ای و پمپ توربومولکولار می‌باشد.