Способ получения алмазной высококристаллической пленки

Источник: phys.org

Безупречные листы алмаза в несколько атомов толщиной могут быть получены даже без высокого давления, создающего природные драгоценные камни. Многие ученые предполагали такую возможность, и в нескольких лабораториях даже были зафиксированы признаки диамана. Диаман — чрезвычайно тонкая пленка, обладающая всеми превосходными полупроводниковыми и тепловыми характеристиками природного алмаза. Алмазные пленки уже создавались путем химического осаждения паров, но все они были очень низкого качества (поликристаллические). Для электроники требуется более качественная пленка, способная служить в качестве широкополосного полупроводника. Теперь исследователи из Университета Райса (США) и Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (Москва, Россия) представили фазовую диаграмму создания диамана.

Это своеобразная «дорожная карта», в которой излагаются условия (температура, давление и др.), необходимые для превращения уложенных в стопку листов графена в алмазную пленку с безупречной решеткой. Команда ученых во главе с Борисом Якобсоном (США) и Павлом Сорокиным (Россия) выяснила, что диаман может быть получен химическим путем, без сверхвысокого давления. Как отмечает г-н Сорокин, диаман имеет широкий потенциал применения в наноэлектронике и нанооптике. Возможности этого квази-двумерного материала впечатляют, но ранее полученные экспериментальные данные показывали, что создать его при помощи традиционных методов очень сложно. Тем не менее, метод «снизу — вверх», предложенный Ричардом Фейнманом (США), позволяет изготавливать диаман из меньших объектов, таких, как графен.

Исследователи построили компьютерную модель для имитации сил, приложенных к каждому атому, вовлеченному в процесс. Диаграмма учитывает поведение листов графена (одноатомных слоев углерода) и катализатора (водород). Водород не является единственно возможным катализатором, но в расчетах по данной модели ученые использовали именно его. Когда водород «атакует» графен, он отнимает по одному электрону у каждого атома углерода. В результате существующие связи нарушаются, и другой электрон остается в подвешенном состоянии на другой стороне графенового слоя. В итоге этот электрон может свободно подключиться к атому углерода в близлежащем листе графена почти без давления. Если взять несколько листов графена, получается «эффект домино», водород начинает реакцию на вершине, которая затем распространяется через все системы связей углерода.

Как только реакция заканчивается, фазовый переход завершается, и на выходе получается идеальная кристаллическая структура. Г-н Якобсон поясняет, что фазовая диаграмма показывает доминирующее состояние для каждого сочетания давления и температуры. Но что является необычным, результат также зависит от количества слоев графена. То есть в диаграмме присутствует дополнительный параметр. По словам г-на Якобсона, в данном исследовании не рассчитывались возможные условия разрушения алмазной структуры. Переход от одной фазы к другой начинается с маленького участка, и в этом процессе всегда есть некий барьер зарождения. И хотя углерод предпочитает находиться в состоянии графита, высокий барьер зарождения препятствует превращению алмаза в графит.