Цивилизация
Физики МГУ имени М.В. Ломоносова получили кристаллы алмаза в форме геометрически правильных пирамид микрометрового размера и, в соавторстве с коллегами из других российских и зарубежных научных центров, изучили их люминесцентные и электронно-эмиссионные свойства. Результаты этих исследований были представлены в серии статей, недавно опубликованных в ведущих научных журналах: Journal of Luminescence, Nanotechnology, Scientific Reports.
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 Александр Образцов.
Исследователями 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. Такие кристаллиты могут использоваться, например, в качестве элементов с высокой твердостью: режущий инструмент для сверхточной обработки, индентеры или зонды для сканирующих микроскопов.
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. Ученые описали 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, могут быть использованы для создания элементной базы квантовых компьютеров и в других областях науки техники.
