Ein Forschungsteam von der University of Hong Kong und der University of Science and Technology Beijing hat erfolgreich selbsttragende, ultraharte Diamant-Wafer mit einem Durchmesser von 5 Zoll, einer Dicke von 3 mm und einer Vickers-Härte von über 200 GPa hergestellt. Dies bietet eine neue Materialgrundlage für Bereiche wie die Präzisionsbearbeitung und Halbleitertechnologie.

Die von Professorin Lu Yang von der University of Hong Kong und Professor Chengming Li von der University of Science and Technology Beijing geleitete Studie hat erstmals gleichzeitig zollgroße Abmessungen und ultrahohe Härte in Diamantmaterialien verwirklicht. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ unter dem Titel „Engineers fabricate inch-scale, ultrahard diamond wafers exceeding 200 GPa hardness“ veröffentlicht.

Diamant gilt aufgrund seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, Strahlungsbeständigkeit und mechanischen Festigkeit als ideales Halbleitermaterial, dessen Leistung traditionelle Optionen wie Silizium und Siliziumkarbid übertrifft. Die Herstellung zollgroßer, bindemittelfreier ultraharter Diamanten mit herkömmlichen Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren erwies sich jedoch als schwierig und stellte einen technologischen Engpass dar.

Das Team entwickelte ein maßgeschneidertes System zur Mikrowellenplasma-verstärkten chemischen Gasphasenabscheidung und setzte eine Hochfrequenz-Puls-Stickstoffdotierungsstrategie ein, um eine lokal nichtgleichgewichtige Wachstumsumgebung zu schaffen. Durch präzise Kontrolle der Wachstumsbedingungen gelang die Herstellung von 5-Zoll-Diamant-Wafern. Dieser dynamische Regulationsmechanismus verstärkte die Oberflächenrekonstruktion und Defektkontrolle und förderte die Bildung spezifischer Mikrostrukturen.

Mechanische Tests zeigten, dass diese Diamant-Wafer eine Vickers-Härte von 208,3 GPa erreichen, was etwa dem Doppelten von herkömmlichem Diamanten entspricht. Ihre Verschleißfestigkeit ist etwa siebenmal höher als die von polykristallinen Diamantsubstraten, und sie können auf einkristallinen Diamantoberflächen klare Kratzer erzeugen, was ihre Bearbeitungsfähigkeit beweist. Die gepulste Stickstoffdotierungsstrategie ermöglicht zudem die Abscheidung auf dreidimensionalen Werkzeugoberflächen.

Analysen mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigten, dass die Diamant-Wafer ein hochdichtes, dreidimensional verriegeltes Netzwerk von Stapelfehlern mit einer Dichte von 4,3 × 10¹² cm⁻² enthalten, das die Bewegung von Versetzungen effektiv unterdrückt. Elektronenenergieverlustspektroskopie und Computersimulationen zeigten, dass die Stickstoff-Einlagerung die Bildungsenergie für Stapelfehler senkt und deren stabile Bildung fördert.

Dieser Durchbruch eröffnet neue Wege für den Einsatz von Diamant in der Elektronik für extreme Umgebungen, der fortschrittlichen Fertigung und dem thermischen Management von Halbleitern. Mit der Entwicklung der Ultra-Breitbandlücken-Halbleitertechnologie wird erwartet, dass Diamant-Wafer eine wichtige Rolle in MEMS, dem thermischen Management von Hochleistungschips und fortschrittlichen Verpackungstechnologien spielen werden.

Professorin Lu Yang erklärte: „In der Zukunft wird die kontrollierbare Einstellung von Mikrostruktur und Bandstruktur entscheidend für die Realisierung der nächsten Generation von Diamant-Mikroelektronik und optoelektronischen Bauelementen sein. Durch die Nutzung seiner Härte und mechanischen Stabilität können die in dieser Studie entwickelten ultraharten Diamant-Wafer als ideale Plattform für Diamant-MEMS und Nanostrukturen dienen und die Industrialisierung von spannungsoptimierten Diamant-Bauelementen vorantreiben.“

Veröffentlichungsdetails: Autoren: The University of Hong Kong; Titel: „Engineers fabricate inch-scale, ultrahard diamond wafers exceeding 200 GPa hardness“; veröffentlicht in: „Nature Communications“ (2025).