Diamantnadeln aus Kohlenstoff "Eis"

Diamantnadeln aus Kohlenstoff „Eis“

Maxim Abajew, Kandidat der chemischen Wissenschaften
"Wissenschaft und Leben" №3, 2017

Wahrscheinlich die ersten, die den Gebrauch von Diamanten erraten haben, waren Juweliere. Aber als sich die Wissenschaft für die wertvolle allotrope Form von Kohlenstoff entwickelte, gab es eine andere Verwendung. So hat der französische Naturforscher Antoine Lavoisier am Ende des 18. Jahrhunderts zur Freude des Publikums und trotz seiner wissenschaftlichen Gegner mehrere Edelsteine ​​verbrannt, um die Widersprüchlichkeit der damaligen Verbrennungstheorie aufzuzeigen. Moderne Forscher haben gelernt, Diamanten selbst zu beschaffen, und ihre Eigenschaften erweisen sich manchmal als sehr ungewöhnlich.

Wenn sie über künstliche Diamanten sprechen, scheint es, dass alle Bemühungen darauf abzielen, zu lernen, wie man große Edelsteine ​​in Labors bekommt. Tatsächlich sind die Objekte von Interesse oft Diamantfilme und pulverförmige Materialien, die aus winzigen Kristallen bestehen, die nicht immer mit dem bloßen Auge gesehen werden können. Ihre Größen können zehn oder sogar tausend Mal weniger als einen Millimeter betragen. Diamantfilme sind wegen der ungewöhnlichen Eigenschaften ihrer Kristallite für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen von Interesse.

Pyramidale nadelartige Kristallite, die als Ergebnis von Kohlenstoffkondensation auf Kernen erhalten werden, die über die Substratoberfläche verteilt sind. Illustration von Alexander Obraztsov, Moskauer Staatliche Universität M. V. Lomonosowa

Zusätzlich zu der Rekordhärte, über die vielleicht jeder weiß, hat Diamant eine phänomenal hohe Wärmeleitfähigkeit, mehrfach höher als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Darüber hinaus ist reiner Diamant (frei von Defekten und Verunreinigungen) ein gutes Dielektrikum. Und mit einigen Verunreinigungen wird der Diamant zum Halbleiter mit allen Konsequenzen für die Elektronik.

Diamant hat eine weitere interessante Eigenschaft – negative Elektronenaffinität. Dies bedeutet, dass die Energie der Elektronen auf der Oberfläche des Diamanten etwas größer ist als die Energie der Elektronen in einiger Entfernung von ihr. Wenn ein Material, das ein solches Merkmal besitzt, in ein elektrisches Feld gebracht wird, werden die Elektronen spontan von seiner Oberfläche "aufspringen". Eine solche Emission (oder Emission) von Elektronen tritt ohne Energieverlust auf, daher wird sie "kalt" genannt, im Gegensatz zur thermionischen Emission, bei der das Emittermaterial (Kathode) oft auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden muss.Eine solche "heiße" Emission ist uns aus der Arbeit von Vakuumelektronenröhren bekannt, von denen eine Varietät Kineskope waren, die kürzlich in Fernsehern und verschiedenen Displays verwendet wurden. Das Potential für den "freien" (dh ohne Energie) Empfang von Elektronen hat die Aufmerksamkeit einer großen Anzahl von Forschern und Technologen auf sich gezogen, die sich mit der Entwicklung von Vakuumelektroniken befassen.

Pyramidenförmige nadelartige Diamantkristalle, die in Form eines "Hedgehog" -druzy infolge Kohlenstoffkondensation an einem isolierten Embryo gebildet werden. Illustration von Alexander Obraztsov, Moskauer Staatliche Universität M. V. Lomonosowa

Aufgrund der negativen Elektronenaffinität könnten Diamanten verwendet werden, um die Effizienz von photoelektrischen Vorrichtungen zu erhöhen. Aber wie bereits erwähnt, ist ein Diamant ein Dielektrikum, dh er leitet keinen elektrischen Strom, der ein Elektronenstrom ist. Daher hört die Emission nach der Emission von einem oder mehreren Elektronen auf, bis neue Elektronen, die die emittierten Elektronen ersetzen, von innerhalb des Diamanten an die Oberfläche abgegeben werden. Die Elektronenabgabe erfordert jedoch elektrische Leitfähigkeit.Versuche, einen Diamanten dazu zu bringen, einen elektrischen Strom zu leiten, ohne ihm andere nützliche Eigenschaften zu nehmen, führten nicht zu besonderen Erfolgen. Eine Ausnahme könnte die Erzeugung einer atomar dünnen Schicht aus "Diamant" auf der Oberfläche von leitfähigem Graphit sein. Die Quanteneigenschaften von Elektronen erlauben ihnen, eine solche atomar dünne Schicht leicht zu durchdringen. Diese vor mehr als 15 Jahren formulierte Idee erhielt erst kürzlich ihre endgültige experimentelle Bestätigung.

Der Kandidat der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, Viktor Kleshch, installiert einen Diamantemitter in einem Messaufbau. Fotos von Alexander Obraztsov, Staatliche Universität Moskau M. V. Lomonosowa

Eine alternative Möglichkeit ist die Verwendung von Leitfähigkeit, die immer auf der Oberfläche eines Isolators vorhanden ist. Im Fall von reinem Diamant ist die Leitfähigkeit mit der Tatsache verbunden, dass Atome aufgrund von Defekten in der Kristallstruktur (einer der Defekte ist die Kristalloberfläche selbst) ähnliche Eigenschaften wie Graphitatome – die leitfähige Form von Kohlenstoff – erhalten. So kann eine dünne Schicht "Graphit" auf der Oberfläche von Diamant die notwendige Versorgung von Elektronen zu dem Punkt liefern, von dem ihre "kalte" Emission auftritt.

Die Möglichkeit, eine "kalte" Emission von Elektronen aus einer dünnen Schicht von "Diamant" auf Graphit und aus einem mit einer dünnen Schicht "Graphit" überzogenen Diamanten zu erhalten, wurde experimentell von den Forschern der Fakultät für Physik der Moskauer Staatlichen Universität demonstriert. MV Lomonossow unter der Leitung von Professor, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften Alexander Obraztsova. Ihre ursprünglichen Lösungen basieren auf der Tatsache, dass sowohl Graphit als auch Diamant aus den gleichen Kohlenstoffatomen bestehen, so dass diese Materialien sich mit bestimmten strukturellen Veränderungen, die durch die Kondensation von Kohlenstoff aus der Gasphase kontrolliert werden können, ineinander überführen können. Eine dünne Schicht von Diamant auf Graphit wird durch Synthetisieren von Graphitkristallen mit einer Dicke von mehreren bis einigen zehn Nanometern erhalten, deren Atomlagen scharfe Kanten haben. Eine dünne Graphitschicht auf Diamant, die das notwendige Maß an elektrischer Leitfähigkeit liefert, wird in Kristalliten gebildet, die in Form von dünnen Nadeln mit einer Dicke von etwa einem Mikrometer und einer Länge von 50-100 Mikrometer gewachsen sind. Sie können auf einer massiven Elektrode zum Anschluss an eine Spannungsquelle montiert werden.

Die Prozesse, die zur Bildung von Diamantnadelkristalliten verwendet werden, haben eine gewisse Ähnlichkeit mit der Bildung von Eis aus Wasserdampf.Unter bestimmten Bedingungen kann Eisbildung aus einzelnen nadelartigen Kristalliten bestehen, die oft auf der Oberfläche von Seen beobachtet werden. In ähnlicher Weise können Diamantfilme als ein Satz von nadelartigen Kristalliten erhalten werden.

In den meisten Fällen wird angenommen, dass die beste Qualität von Diamantfilmen erreicht wird, wenn Filme von dicht gepackten Kristalliten der gleichen Größe gebildet werden. Forscher der Moskauer Staatlichen Universität haben jedoch gezeigt, dass bisher als "schlecht" eingestufte Filme, die aus einer Mischung von Kristalliten unterschiedlicher Größe und ungeordnetem Kohlenstoff bestehen, ebenfalls nützlich sein könnten. Physiker haben eine schöne Lösung vorgeschlagen, die die seit Lavoisiers Zeit bekannte Tatsache nutzt, dass Kohlenstoff, wenn er in der Luft erhitzt wird, oxidiert wird und sich in gasförmiges Oxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2). Darüber hinaus hängt die Oxidationstemperatur signifikant von der Größe und strukturellen Perfektion des Kohlenstoffmaterials ab. Für relativ große Diamantkristallite ist sie merklich größer als für kleinere Kristallite und für ungeordneten Kohlenstoff. Um also alles Material von einem "schlechten" Diamantfilm zu entfernen,neben Kristalliten der größten Größe ist es ausreichend, das Material in Luft oder in einem anderen sauerstoffhaltigen Medium bei einer bestimmten Temperatur zu erhitzen. Nach der Durchführung dieses Prozesses verbesserten die Mitarbeiter der Abteilung für Physik der Polymere und Kristalle der Fakultät für Physik der Moskauer Staatlichen Universität, zu der das Labor von A. Obraztsov gehört, die Technologie, die es ermöglichte, die Form der nadelartigen Kristalle etwas zu verändern.

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer separaten Diamantnadel, erhalten durch Abscheidung eines Films aus der Gasphase mit anschließender Oxidation an Luft. Foto: Journal der Lumineszenz

Nadelförmige Diamantkristallite können eine wichtige Rolle bei der Herstellung von quantenoptischen Vorrichtungen spielen, für die die Lumineszenzeigenschaften von Diamant von besonderer Bedeutung sind. Diese Eigenschaften werden durch die Anwesenheit von Verunreinigungen bestimmt, unter denen am häufigsten Stickstoff ist. Verunreinigungen können in die Gasphase eingeführt werden, die zum Ausfällen von Diamantkristallen verwendet wird. Die kontrollierte Einführung von Verunreinigungen in dünne nadelartige Kristallite, so die Forscher, ermöglicht es, die quantenoptischen Eigenschaften von Diamanten zu kontrollieren und auf deren Basis die Elementbasis für Quantencomputer zu erzeugen.


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