Deimantinės adatos iš anglies "ledo"

Deimantinės adatos iš anglies „ledo“

Maksim Abaev, Kandidatas chemijos mokslai
"Mokslas ir gyvenimas" № 3, 2017

Tikriausiai pirmasis spėlioti, kad deimantų naudojimas buvo juvelyrai. Tačiau, kaip mokslas sukūrė vertingą alotropinę anglies formą, buvo dar vienas naudojimas. Pavyzdžiui, prancūzų gamtininkas Antoine Lavoisieris XVIII a. Pabaigoje giedojo visuomenę ir, nepaisant jo mokslininkų, sudegino keletą brangiųjų akmenų, norėdamas parodyti tuo metu degimo teorijos nenuoseklumą. Šiuolaikiniai mokslininkai išmoko pats gauti deimantus, o jų savybės kartais pasirodo labai neįprasti.

Kai kalbama apie dirbtinius deimantus, gali atrodyti, kad visos pastangos yra skirtos mokytis, kaip gauti didelius perlus laboratorijose. Tiesą sakant, interesų objektas dažniausiai yra deimantiniai filmai ir miltelių pavidalo medžiagos, kurias sudaro nedideli kristalai, kurių ne visada galima matyti plika akimi. Jų dydžiai gali būti dešimtys ar net tūkstančiai kartų mažiau nei milimetras. Deimantinės plėvelės yra įdomios įvairiems praktiniams pritaikymams dėl neįprastų jų kristalitų savybių.

Pyramidiniai adatiniai kristalai, gaunami dėl anglies kondensacijos branduoliuose, paskirstytuose ant pagrindo paviršiaus. Iliustracija Maskvos valstybinio universiteto Aleksandro Образцова M. V. Ломоносова

Be įrašų kietumo, apie kurį, žinoma, visi žino, deimantas turi fenomeniškai aukštą šilumos laidumą, kuris yra kelis kartus didesnis už vario šilumos laidumą. Be to, grynas deimantas (be defektų ir priemaišų) yra geras dielektrikas. Be papildomų priemaišų, deimantas tampa puslaidininkiu, turinčiu visas "pasekmes" elektronikai.

Deimantas turi dar vieną įdomiausią savybę – neigiamą elektronų giminingumą. Tai reiškia, kad elektronų energija ant deimanto paviršiaus yra šiek tiek didesnė už elektronų energiją tam tikru atstumu nuo jo. Jei medžiaga, turinti tokią savybę, yra dedama į elektrinį lauką, elektronai spontaniškai "iššoko" nuo jo paviršiaus. Toks elektronų išmetimas (arba išmetimas) įvyksta be energijos nuostolių, todėl jis vadinamas "šalta", priešingai nei termojoninis išmetimas, kuris reikalauja dažniausiai šildyti spinduliuotės medžiagą (katodą) iki labai aukštų temperatūrų.Tokia "karšta" spinduliuotė mums žinoma iš vakuuminių elektroninių vamzdžių, kurių viena iš veislių buvo kineskopai, kurie neseniai buvo naudojami televizoriuose ir įvairiuose ekranuose. Galimybė "laisvai" (ty be energijos) gauti elektronus atkreipė dėmesį į didžiulį skaičių mokslo darbuotojų ir technologų, užsiimančių plėtojant vakuuminius elektroninius prietaisus.

Pyramidinės formos adatiniai deimantiniai kristalai, suformuoti "ežiuko" pavidalu, dėl anglies kondensacijos izoliuotai embrionui. Iliustracija Maskvos valstybinio universiteto Aleksandro Образцова M. V. Ломоносова

Dėl neigiamo elektronų giminingumo, fotoelektrinių įtaisų efektyvumui padidinti galima naudoti deimantus. Tačiau, kaip jau minėta, deimantas yra dielektrikas, ty jis neveikia geros elektros srovės, kuri yra elektronų srautas. Todėl po vieno ar kelių elektronų išmetimo emisija nustoja galios, kol nauji elektronai, pakeičiantys išmestus, į paviršių iš deimanto viduje. Tačiau elektronų tiekimui reikalingas laidumas.Bandymai priversti deimantą atlikti elektros srovę, neprarandant kitų naudingų savybių, nesukėlė ypatingos sėkmės. Išimtis gali būti atomo plona sluoksnio "deimanto" sukūrimas laidinio grafito paviršiuje. Elektronų kvantinės savybės leidžia jiems lengvai prasiskverbti tokiu atomų plonu sluoksniu. Ši idėja, suformuluota daugiau nei prieš 15 metų, neseniai gavo savo galutinį eksperimentinį patvirtinimą.

Fizinių ir matematinių mokslų kandidatas Viktoras Kleshch instaliacuoja deimanto spinduliuotę matavimo įrenginyje. Nuotraukos Aleksandro Образцова, Maskvos valstybinis universitetas M. V. Ломоносова

Alternatyvi galimybė yra naudoti laidumą, kuris visada yra ant bet kurio izoliacinio paviršiaus. Gryno deimanto atveju laidumas yra susijęs su tuo, kad dėl kristalų struktūros defektų (vienas iš trūkumų yra pats kristalo paviršius), atomai įgyja savybių, panašių į grafito atomų savybes – laidžios anglies formą. Taigi plonas sluoksnis "grafito" ant deimanto paviršiaus gali suteikti reikiamą elektronų tiekimą iki taško, iš kurio atsiranda jų "šaltas" spinduliavimas.

Eksperimentu Maskvos valstybinio universiteto Fizikos fakulteto ekspertai įrodė, kad buvo galimybė gauti "šalto" elektronų išplaukimą iš plono sluoksnio "deimanto" grafito ir iš deimanto, padengto plonu "grafito" sluoksniu. M. V. Ломоносов vadovaujama profesoriaus, fizikos ir matematikos mokslų daktaras Aleksandras Образцова. Jų originalūs sprendimai grindžiami tuo, kad grafitas ir deimantas susideda iš vienodų anglies atomų, todėl šios medžiagos gali pasikeisti viena su kita tam tikrais struktūriniais pokyčiais, kuriuos gali kontroliuoti anglies iš dujų fazės kondensacija. Plonas deimantinis grafito sluoksnis gaunamas sintezuojant grafito kristalus, kurių storis yra keletas vienetų iki dešimčių nanometrų, o jų atomų sluoksniai turi aštrus kraštus. Plonu deimantinio grafito sluoksniu, užtikrinančiu reikiamą elektrinio laidumo lygį, susidaro kristalitai, išauginti plonomis adatomis, kurių storis yra apie mikrometras, o ilgis 50-100 mikrometrų. Jie gali būti montuojami ant masinio elektrodo, prijungto prie įtampos šaltinio.

Apdoroti deimantiniai adatiniai kristalitai yra panašūs į ledo susidarymą iš vandens garų.Esant tam tikroms sąlygoms, ledo formavimąsi gali sudaryti atskiri adatos kristalai, dažnai stebimi ežerų paviršiuje. Panašiai, deimantiniai filmai gali būti gauti kaip adatų kristalų rinkiniai.

Daugeliu atvejų manoma, kad geriausia deimantinių plėvelių kokybė pasiekiama formuojant tokio pat dydžio tankiai supakuotus kristalinius filmus. Tačiau mokslininkai iš Maskvos valstybinio universiteto parodė, kad anksčiau laikomi "blogi" filmai, susidedantys iš įvairių dydžių kristalitų mišinio ir sutrikdytos anglies, taip pat gali būti naudingi. Fizikai pasiūlė gražų sprendimą, kuris naudoja gerai žinomą faktą, nes Lavoisierio metu, kai šildomas ore, anglies dioksidas oksiduojamas, virsta dujiniu oksidu (CO) arba anglies dioksidu (CO2) Be to, oksidacijos temperatūra žymiai priklauso nuo anglies medžiagos dydžio ir struktūrinio tobulumo. Dėl santykinai didelių deimantų kristalitų jis yra pastebimai didesnis nei mažesniems kristalitams ir sutrikdytam anglies kiekiui. Taigi, norint pašalinti visą medžiagą iš "blogo" deimanto filmo,be didžiausio dydžio kristalite, pakanka šildyti medžiagą ore ar kitoje deguonies turinčioje terpėje tam tikroje temperatūroje. Įdiegus šį procesą, Maskvos valstybinio universiteto Fizikos katedros fizikines-fizikines fizikos katedros darbuotojai, įskaitant laboratoriją A. Obrazcovo, patobulino technologiją, kuri leido šiek tiek keisti formą adatų kristalų.

Elektroninės mikroskopinės atskiros deimantinės adatos vaizdas, gaunamas nusodinus plėvelę iš dujų fazės, o vėliau oksiduojant ore. Foto: Liuminescencijos leidinys

Adatiniai deimantiniai kristalitai gali atlikti svarbų vaidmenį sukuriant optinius optinius įtaisus, kuriems svarbios deimantų liuminescencinės savybės. Šios savybės yra nustatomos dėl priemaišų buvimo, tarp kurių dažniausiai yra azotas. Deguonies kristalams nusodinti gali būti dedamos priemaišos. Kaip teigia mokslininkai, prieskonių įvedimas į plonus adatinius kristaletus leis kontroliuoti kvantinių optinių savybių deimantą ir sukurti jo pagrindą kvantinių kompiuterių elementų bazei.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: