Вирощування монокристалів алмазу із високою структурною досконалістю є необхідним для сучасної та майбутньої науки та техніки. Такі кристали починають широко застосовуватись в якості теплостоків інтегральних схем, напівпровідникових елементів квантових комп’ютерів, детекторів ядерних перетворювань.[1] Алмази, що одержують шляхом вирощування в умовах високих тисків та температур, мають суттєву перевагу над природними з точки зору постійності свого дефектно-домішкового складу.
Одним із найпоширеніших способів одержання монокристалів алмазу є метод температурного градієнту із застосуванням високих тисків та температур.[2] Особливістю даного методу є можливість контролювати вміст домішок в отримуваних кристалах, так як дефектно-домішковий склад взначає тип алмазу та його властивості. Значний вплив на формування того чи іншого типу алмазу у процесі вирощування складають температура та її розподіл у ростовій комірці. В таблиці 1 приведено залежність вмісту азоту від умов вирощування.
Таблиця 1. Вплив температури вирощування на вміст азоту в монокристалах алмазу
|
Номер досліду |
Розчинник |
Тиск, ГПа |
Температура, ˚ С |
Тип алмазу |
Вміст азоту, ppm |
|
1 |
Fe-Co+Ti2,7% |
5,5 |
1380-1560 |
Ib+IIb |
18-21 |
|
2 |
Fe-Co+Zr1,25% |
6,1 |
1420-1600 |
Ib+IIb |
18-21 |
|
3 |
Fe-Co+Ti3,6% |
5,5 |
1480-1560 |
ІІа |
<5 |
|
4 |
Fe-Co+Zr3,6% |
6,1 |
1420-1600 |
ІІа |
<5 |
|
5 |
Fe-Co+Zr3,6% |
6,1 |
1600-1680 |
Ib |
15-30 |
|
6 |
Fe-Co+Ti4,4% |
5,5 |
1380-1560 |
IIa |
<5 |
|
7 |
Fe-Co+Zr2,55% |
6,1 |
1600-1680 |
Ib |
15-30 |
|
8 |
Fe-Co+Zr2,55% |
6,1 |
1420-1600 |
IIa |
<5 |
Характерною особливістю одержання монокристалів алмазу на основі сплаву-розчинника Fe-Co-Zr(Ti) є те, що при збільшенні температурного діапазону зростає вміст домішок азоту у вигляді різноманітних дефектів (таблиця 2). Дане явище можливо пояснити тим, що при збільшенні температури зростає кінетична енергія атомів азоту та їх рухливість на фронті кристадлізації.
Зростання домішок азоту у кристалічній гратці призводить до зміни типу алмазу за схемою IIa → Ib[3], в в результаті чого змінюється забарвлення вирощуваних кристалів кристалів.
Таблиця 2. Типи дефектів у кристалічній гратці алмазу
|
Тип дефекту |
Опис дефекту |
Колір кристалу |
|
Центр Н3 |
Пара атомів азоту і дефект решітки − вакансія |
жовтий |
|
Центр Н2 |
Негативно заряджений центр НЗ |
Жовто − зелений |
|
Центр Н4 |
Дві пари атомів азоту і два дефекту решітки − вакансії |
Жовтий |
|
Центр N-V |
Ізольований атом азоту і дефект решітки − вакансія |
Рожевий або пурпурний |
|
Центр GR1 |
Дефекти решітки – вакансія (V0) |
Зелений |
|
Центр С |
Ізольований азотний атом заміщення |
Жовтий |
|
Центр N3 |
Три атоми азоту і дефект решітки − вакансія |
Світло жовтий |
Висновки
- Вміст азоту в монокристалах алмазу залежить, в першу чергу, від умов вирощування, зокрема від температури.
- Зміна температури вирощування дозволяє отримувати кристали різних типів та кількістю азоту в кристалах при використанні одного і того ж сплаву-розчинника.
- Тип алмазу та забарвлення визначаються дефектно-домішковим складом.
Список літератури:
1. Синтетичні алмази нанотехнологічного призначення / О. Г. Лисенко // 2013. [Електрнонний ресурс] Режим доступу: www1.nas.gov.ua/programs/nano2b/Pages/lysenko.aspx
2. Пат. 70965 Україна, МПК C01B 31/06 (2006/01). Спосіб вирощування монокристалів алмазу на затравці / Чепугов О. П., Івахненко С. О., Білоусов І. С.; заявл. 05.01.2012 ; опубл. 25.06.2012, Бюл. № 12
Закономірності кристалізації алмазу на затравці в розчин-розплавних системах Fe-Co-Ti(Zr)-C : автореф. дис. На здобуття наук. ступеня канд. тех. Наук : спец. 05.02.01 “Матеріалознавство” / В. В. Лисаковський. - Київ, 2008. - 21 с.
