Introducción a las obleas de diamante: Monocristalino vs Policristalino

En la actualidad, las obleas de diamante se utilizan ampliamente en las industrias de alta tecnología por su extraordinaria dureza y sus propiedades exclusivas para fines electrónicos, ópticos e incluso de corte y pulido. En particular, las obleas de diamante se valoran por su extraordinaria resistencia a condiciones extremas como las altas temperaturas y la tensión mecánica intensa. Los tipos más populares de obleas de diamante son el monocristalino y el policristalino; ambos tipos tienen algunas características y ventajas distintas en determinados usos.

¿Qué son las obleas de diamante?

Una oblea de diam ante es una pieza delgada y plana de material de diamante sintético, generalmente preparada mediante procesos como los métodos CVD o HPHT. Estas obleas se cortan a un tamaño específico y se utilizan principalmente como sustratos en diversas aplicaciones industriales y científicas. La dureza y conductividad térmica del diamante lo convierten en un material perfectamente utilizable en áreas en las que los materiales convencionales podrían fallar.

Fig. 1 Oblea de diamante CVD

Obleas de diamante monocristalino

La oblea de diamante monocristalino está hecha de un único cristal de diamante continuo. En otras palabras, toda la oblea se produce a partir de una estructura uniforme en la que todos los átomos se alinean de la misma manera. Esta uniformidad dota a los diamantes monocristalinos de propiedades únicas, entre las que se incluyen:

- Alta conductividad térmica: Su alta capacidad de gestión térmica hace que los diamantes monocristalinos sean perfectos para aplicaciones en electrónica de alta potencia o simple disipación de calor.

- Alta resistencia mecánica: Los diamantes monocristalinos poseen una resistencia excepcionalmente alta debido a su estructura cristalina, lo que los hace muy eficaces en aplicaciones como corte, esmerilado y perforación.

- Claridad óptica: Estas obleas pueden utilizarse en óptica de precisión, debido a su capacidad para transmitir la luz con una distorsión mínima. Esto proporciona grandes beneficios en tecnología láser y equipos especializados de imagen.

El crecimiento de los diamantes monocristalinos es considerablemente más largo y costoso que el de otras formas, pero el producto final encuentra una demanda muy fuerte en aplicaciones de rendimiento crítico como la fabricación de semiconductores de gama alta, la computación cuántica e incluso la industria aeroespacial.

Aplicaciones de las obleas de diamante monocristalino:

• Electrónica de alto rendimiento: Utilizado en dispositivos de potencia, disipadores de calor.
• Industria de semiconductores: Como sustratos para dispositivos semiconductores avanzados.
• Óptica y láseres: Incluyen ventanas láser y lentes de alta precisión.
• El corte y taladrado industrial implican herramientas que requieren niveles extremos de resistencia al desgaste.

Obleas de diamante policristalino

Por otro lado, las obleas de diamante policristalino se fabrican reuniendo cristales de diamante que se fusionan entre sí. Estos cristales, aunque son de diamante, no están alineados en una única estructura continua. El resultado es un material que varía en propiedades mecánicas y térmicas en comparación con el diamante monocristalino.

Fig. 2 Diamante policristalino [1]

Entre las principales características de las obleas de diamante policristalino se incluyen:

- Menor coste: Los diamantes policristalinos son típicamente menos costosos que sus homólogos monocristalinos, debido a un proceso más eficiente en el crecimiento. En última instancia, esto hace que las obleas de diamante policristalino sean una opción económica para muchas aplicaciones.

- Alta resistencia a la abrasión: Aunque no tiene una estructura monocristalina, el diamante policristalino es extraordinariamente resistente, por lo que encuentra su amplia aplicación en el corte, esmerilado y taladrado, donde se requiere una alta resistencia al desgaste.

- Versatilidad: Las áreas de aplicabilidad de los diamantes policristalinos son mucho más amplias debido a su flexibilidad en la producción y su rentabilidad.

Sin embargo, las obleas de diamante policristalino tienden a tener una menor conductividad térmica y una menor claridad óptica que sus homólogos de diamante monocristalino. En consecuencia, no pueden aplicarse en óptica de alta precisión o cuando se requiere una gestión superior del calor.

Aplicaciones de las obleas de diamante policristalino:

• Herramientas de corte industriales: Aplicadas a herramientas empleadas en mecanizado, minería y otros usos abrasivos.
• Disipadores de calor: Donde una alta conductividad térmica es menos imperativa.

• Recubrimientos resistentes al desgaste para componentes que operan en condiciones ambientales severas.

Comparación: Obleas de diamante monocristalinas frente a policristalinas

A continuación se presenta una tabla comparativa mejorada con una estructura más clara y datos específicos cuando procede:

Puntos clave:

• Conductividad térmica: Los diamantes monocristalinos son muy superiores en disipación térmica, lo que los hace ideales para electrónica de alta potencia o entornos que requieran una gestión eficaz del calor.
• Resistencia mecánica: Aunque ambos tipos son fuertes, los diamantes monocristalinos tienden a superar a los policristalinos en términos de uniformidad y resistencia a la tracción.
• Rentabilidad: Las obleas de diamante policristalino son mucho más rentables, lo que las convierte en una opción atractiva para aplicaciones industriales en las que el rendimiento final no es tan crítico.
• Claridad óptica: Los diamantes monocristalinos destacan en óptica debido a su estructura cristalina uniforme, mientras que los diamantes policristalinos son menos transparentes.

Conclusión

La elección entre obleas de diamante monocristalino y policristalino suele depender de una serie de necesidades específicas de la aplicación. Los diamantes monocristalinos son mucho mejores para aplicaciones de alta precisión en la fabricación de semiconductores, electrónica avanzada y óptica debido a su mejor rendimiento en conductividad térmica y resistencia mecánica. Las obleas de diamante policristalino son adecuadas para situaciones que requieren durabilidad en aplicaciones como el corte y la perforación industrial.

A medida que la investigación y la tecnología sigan mejorando, el papel que desempeñarán las obleas de diamante en muchas industrias también seguirá aumentando, haciendo que estos materiales sean indispensables en el desarrollo de tecnologías más eficientes, robustas y complejas. Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Referencias:

[1] Sobolev, Nikolay & Tomilenko, A. & Bul'bak, Taras & Logvinova, Alla. (2019). Composición de hidrocarburos en diamantes, granate y olivino de peridotitas diamantíferas del tubo Udachnaya en Yakutia, Rusia. Ingeniería. 5. 10.1016/j.eng.2019.03.002.