Российские ученые совместно с финскими коллегами усовершенствовали метод получения алмазных игл, что делает их более доступными для различных применений, включая квантово-оптические сенсоры. Новый способ использует синтез алмаза из смеси водорода и метана при активации газовой среды методом «горячей нити». Так удается существенно увеличить производительность: можно получать алмазные покрытия на больших площадях и тонко настраивать характеристики алмазных игл. С результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала Materials.   

Алмазы давно перестали быть просто дорогими камнями в украшениях, их также используют в самых разных технических областях — от применений в качестве абразивного материала до создания микроэлектронных устройств, а также в перспективных научных разработках. Это возможно благодаря уникальным свойствам алмаза: рекордные твердость и теплопроводность, химическая стойкость и биологическая инертность, прозрачность в широком диапазоне длин волн света, высокая подвижность носителей заряда и прочее. Совокупность этих свойств обеспечивает применение алмаза в передовых технологиях, в том числе делает его очень привлекательным для создания элементной базы квантовых устройств, предназначенных для обработки информации, а также разнообразных сенсоров и детекторов. 

Кристаллы алмаза в виде крошечных удлиненных пирамидок обладают свойствами, необходимыми для «традиционных» применений, а также создают возможности для инновационных разработок. Одним из наиболее перспективных методов синтеза кристаллов алмаза служит осаждение из газовой фазы на подложку. В камеру подается смесь, содержащая водород и метан. Молекулы последнего химически активируются, что приводит к появлению свободных атомов углерода, которые конденсируются в виде тонкой пленки на подложке, размещенной в реакционной камере. Подбором параметров процесса осаждения можно добиться формирования углеродной пленки в виде совокупности алмазных иглоподобных кристаллитов. Одним из способов активации является возбуждение электрического разряда в газообразной среде, которое возможно при использовании электропроводящих подложек — этот метод был разработан и исследован ранее

В ходе дальнейшей работы ученые из МГУ имени М. В. Ломоносова (Москва), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва) и Красноярского научного центра СО РАН (Красноярск) совместно с финскими коллегами предложили проводить осаждение не при помощи электрического разряда, а используя нагретую до высокой температуры (2300 °С) вольфрамовую нить — почти как в обычной лампе накаливания. Такие высокие температуры также способны химически активировать молекулы метана и запускать необходимые для формирования алмаза реакции. В ходе проведенного исследования подложки располагали на разном расстоянии от нагретой нити и проводили анализ получаемых алмазных покрытий. 

Исследователям удалось подобрать такие условия, чтобы получались длинные и тонкие (до нескольких тысячных долей миллиметра) алмазные иглы, причем скорость их роста достигала 500 нанометров в час (500 нанометров — это размеры, сопоставимые с размерами очень маленькой бактерии). Процесс проходил вдвое медленнее, чем при активации электрическим током, но при этом обеспечивал более точное управление осаждением и возможность внедрения в состав иглы других атомов для контролируемого изменения квантово-оптических свойств алмаза. Предложенный подход также позволил снять ограничение на площадь подложки, которую можно равномерно покрыть кристаллами: во вновь разработанном методе она зависит только от размеров камеры, где происходит осаждение, и, соответственно, от длины вольфрамовых нитей.  

«Наша технология позволяет массово изготовливать качественные монокристаллические алмазные иглы. Они обладают характеристиками, представляющими интерес для различных существующих и принципиально новых областей применения. Разработанная в рамках проекта РНФ технология способствует внедрению этого уникального материала в практическое использование, расширению сферы технических применений алмаза», — подводит итог руководитель гранта РНФ Ринат Исмагилов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.  

Фото: Изображение алмазных наноигл. Получено методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Ismagilov et al. / Materials, 2021  

Источник: www.rscf.ru

Источники

Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Российский научный фонд (rscf.ru), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Российский научный фонд (рнф.рф), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Российская национальная нанотехническая сеть (rusnanonet.ru), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Научная Россия (scientificrussia.ru), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Газета.Ru, 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Поиск (poisknews.ru), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Российский научный фонд (rscf.ru), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Российский научный фонд (рнф.рф), 02/06/2021
Получение алмазных наноигл для квантовых устройств и детекторов удешевили
ТАСС, 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Цензор (censor-rus.ru), 02/06/2021
Алмазные наноиглы для квантовых устройств и детекторов станут доступнее
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (msu.ru), 03/06/2021

Похожие новости

  • 26/04/2021

    Звездная пыль, квазары и тайны Солнца

    Апрель – месяц, который может быть посвящен только одной теме в Год науки и технологий – «Освоение космоса». Совсем недавно мы отмечали 60-летие первого полета человека на околоземную орбиту, мы гордимся достижениями отечественной аэрокосмической отрасли, которая с середины прошлого столетия держит высокую планку и является лидером в этом направлении.
    605
  • 28/01/2020

    Мировая повестка: биобезопасность

    ​С 2015 года в рамках Проекта 5-100 ТюмГУ и в настоящее время Западно-Сибирский межрегиональный научно-образовательный центр (НОЦ) сделали ставку на биобезопасность – предотвращение, митигацию и ликвидацию угроз биологического происхождения для человека, животных и растений.
    1378
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6279
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    5638
  • 13/01/2017

    Лабораторные работы: ученые и инновации

    ​Ученые факультета наук о материалах и химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова совместно с научной группой под руководством Михаэля Гретцеля (EPFL, Швейцария) определили причину, по которой органо-неорганические перовскиты формируются в виде нанонитей.
    3774
  • 28/06/2021

    Наука о «сибирском очаге» страшного заболевания

    «Российская газета» и Минздрав России 17 июня 2021 г. отметили, что в этом году совместно с Медицинским институтом Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова учеными Красноярского государственного медицинского университета запланировано исследовать перспективы использования мемантина в лечении заболевания мозжечка – спиноцеребеллярной атаксии первого типа (СЦА1) – одного из самых тяжёлых наследственных заболеваний нервной системы.
    286
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые изучили новый тип нанопластин для применения в медицине

    ​Ученые из Института физики имени Л. В. Киренского Красноярского федерального исследовательского центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Сибирского федерального университета впервые изучили магнитные свойства, структуру и состав новых наночастиц семейства халькогенидов (элементов 16-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий).
    2420
  • 26/04/2021

    Иркутская TAIGA проверит физику на прочность

    ​На астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета завершено создание пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA. Эта уникальная установка — один из крупнейших и наиболее чувствительных инструментов в мире для решения задач в области астрофизики высоких энергий — возможно, станет началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели​.
    549
  • 25/02/2020

    Ученые — о ближайшем будущем технологий

    ​Ученые из российских вузов Проекта 5–100 рассказали о том, каких прорывов и открытий в сфере своих научных интересов они ждут в ближайшее десятилетие. Мы отобрали прогнозы о развитии технологий, к которым стоит присмотреться бизнесу.
    3560
  • 05/12/2019

    Пресс-конференция в МИА «Россия сегодня» «Когда взорвется климатическая бомба?»

    4 декабря в Международном мультимедийном пресс-центре МИА «Россия Сегодня» состоялась пресс-конференция с участием российских и зарубежных ученых, посвященная результатам экспедиции в моря Восточной Арктики в октябре 2019 года.
    1428