Ученые МГУ вырастили и исследовали алмазы необычной формы

Научные сотрудники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова описали структурные особенности микрометровых кристаллов алмаза иглоподобной или нитевидной формы и их взаимосвязь с люминесцентными характеристиками и эффективностью автоэлектронной эмиссии. Люминесцентные свойства таких игольчатых кристаллов алмаза могут найти применение в сенсорах различных типов, квантово-оптических устройствах, могут использоваться для создания элементной базы квантовых компьютеров и в других областях науки техники.

Бриллианты, представляющие собой ювелирно обработанные кристаллы алмаза, многократно воспеты как «лучшие друзья девушек». Относительно меньшую известность для обывателя получил факт широкого использования алмазов в разнообразных промышленных технологиях. Масштабы технологических применений алмазов значительно превышают их ювелирное использование и имеют тенденцию к постоянному увеличению, как в количественном отношении, так и в смысле расширения разнообразия областей их применения. Такое высокое прикладное значение служит постоянным стимулом для исследователей, занимающихся разработкой новых методов синтеза, обработки, придания алмазу необходимых качеств.

Одной из проблем, решение которой требуется для развития ряда технологий, является изготовление алмазных кристаллов иглоподобной или нитевидной формы. Придание такой формы исходным природным или синтетическим алмазам возможно путем их индивидуальной ручной обработки (шлифовки) аналогично тому, как это делается при изготовлении бриллиантов. Другие способы включают использование литографических и ионно-пучковых технологий, с помощью которых фрагменты необходимой формы отделяют от кристаллов большого размера. Однако такие методы «выпиливания» достаточно затратны и не всегда приемлемы.

В группе исследователей, работающих на физическом факультете МГУ под руководством профессора Александра Образцова, была предложена технология, с помощью которой возможно массовое производство небольших по размерам кристаллов (или кристаллитов) алмаза иглоподобной и нитеобразной формы. Первые результаты, полученные в ходе исследований, проводимых в этом направлении, были опубликованы семь лет назад в журнале Diamond & Related Materials.

«Суть предложенного метода состоит в использовании хорошо известной закономерности, определяющей формирование поликристаллических пленок из кристаллитов вытянутой ("столбчатой") формы. Из таких кристаллитов, например, часто состоит лед на поверхности озер, что можно увидеть при его таянии. При изготовлении алмазных поликристаллических пленок обычно стремятся обеспечить условия, при которых составляющие их кристаллиты столбчатой формы тесно примыкают друг к другу, формируя плотную однородную структуру», — комментирует главный автор исследований, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, доктор физико-математических наук Александр Образцов.

Исследователями из МГУ было показано, что считавшиеся ранее «плохими» алмазные пленки, состоящие из отдельных не соприкасающихся друг с другом кристаллитов, могут использоваться для изготовления алмаза в виде иглоподобных или нитевидных образований геометрически правильной пирамидальной формы. Для этого необходимо нагреть такие пленки до определенной температуры на воздухе (или в другой кислородсодержащей среде). При нагреве часть материала пленки окисляется, превращаясь в газ. Поскольку температура окисления зависит от характеристик углеродного материала, и для алмазных кристаллитов она максимальна, то удается так подобрать эту температуру, чтобы превратить в газ весь материал, кроме самих алмазных кристаллитов. Эта относительно простая технология, объединяющая формирование поликристаллических алмазных пленок с заданными структурными характеристиками с их нагревом на воздухе, позволяет получать в массовом количестве алмазные кристаллиты с некоторым варьированием их формы (игольчатые, нитевидные и т. п.). Представление о таких кристаллитах можно получить из электронно-микроскопических изображений.

Такие кристаллиты могут использоваться, например, в качестве элементов с высокой твердостью: режущий инструмент для сверхточной обработки, индентеры или зонды для сканирующих микроскопов. Такое применение было описано в статье, опубликованной учеными ранее в журнале Review of Scientific Instruments. В настоящее время произведенные по этой технологии зонды реализуются как иностранными компаниями, так и на отечественном рынке.

В ходе последующих работ, которые были проведены на физическом факультете МГУ, исходная технология была существенно усовершенствована, что позволило варьировать форму и размеры игольчатых кристаллитов и расширило потенциальную область их применения. Исследователи из МГУ обратили внимание также на оптические характеристики алмаза, представляющие значительный фундаментальный научный и прикладной интерес. Результаты этих исследований были представлены в серии статей в Journal of Luminescence, Nanotechnology; Scientific Reports.

В этих недавних публикациях описаны структурные особенности таких кристаллитов и их взаимосвязь с люминесцентными характеристиками и эффективностью автоэлектронной эмиссии. Причем последнее, как отмечают ученые, видимо, является первым примером реализации истинно алмазного автоэмиссионного (или холодного) катода, к получению и исследованию которого было привлечено значительное внимание на протяжении последних двух десятков лет. Люминесцентные свойства игольчатых кристаллов алмаза могут найти применение в сенсорах различных типов, квантово-оптических устройствах, для создания элементной базы квантовых компьютеров и в других областях науки техники.

«Мне особенно хочется отметить значительный вклад в данные работы со стороны молодых ученых, Виктора Клеща и Рината Исмагилова, энтузиазм и интенсивная работа которых позволили получить описанные в обсуждаемых работах научные результаты, отличающиеся высокой степенью новизны, фундаментальной научной и прикладной значимостью», отмечает Александр Образцов.