Алмазы, самый твердый материал, возможно, стало проще производить. Сегодня исследователи сообщают о новом способе выращивания синтетических алмазов без обычно необходимого давления дробления. Хотя этот подход дает кристаллы размером не более 100 нанометров (размером с типичный вирус), исследователи подозревают, что в конечном итоге он может привести к появлению более крупных кристаллов и расширенных алмазных пленок, которые ценятся в современной электронике и оптике.
«Техника весьма интересна», — говорит Джон Чиральдо, специализирующийся на выращивании алмазов в компании WD Advanced Materials. «Если бы они могли производить монокристаллы большего размера, это было бы просто фантастикой», — говорит Стивен Гудник, инженер-электрик из Университета штата Аризона, который специализируется на создании электронных устройств на основе алмазных пленок.
Алмаз — это форма чистого углерода, в которой атомы углерода тесно связаны друг с другом в пирамидальном порядке. Результатом является чрезвычайная твердость и радиационная стойкость, а также способность проводить тепло и электричество с непревзойденной скоростью. Алмазы используются в квантовых компьютерах и магнитных датчиках, мощных электрических устройствах, детекторах радиации и лазерах.
Природные алмазы образуются в мантии Земли, на глубине сотен километров под поверхностью, под сильным давлением и температурой. Инженерам уже давно удалось создавать синтетические алмазы, воспроизводя эти условия. Сегодня наиболее распространенный подход разрушает молекулы углерода при давлении почти в 60 000 раз выше атмосферного и при температуре до 1600°C, что требует дорогостоящего оборудования.
Несколько лет назад Родни Руофф, ученый-материаловед из Института фундаментальных наук в Южной Корее, начал замечать признаки того, что экстремальные условия могут не иметь существенного значения. В 2017 году, например, исследователи из Японии сообщили, что, когда они подвергали жидкий галлий воздействию метана, атомы углерода в метане растворялись в расплавленном металле и связывались в твердые листообразные слои графена, еще одной формы чистого углерода.
«Мы думали, что если нам удастся найти подходящие условия, это может привести к добыче алмазов», — говорит Руофф. «Итак, мы сказали, что давайте попробуем».
Он и его коллеги сначала поместили алмазные крапинки на осколки кремниевой пластины и добавили капли расплавленного галлия и других жидких металлов, а затем подвергли смесь воздействию метана или других углеродосодержащих газов. По его словам, они надеялись, что углерод из газов диффундирует в галлий и связывается с затравками алмаза, собираясь в более крупные кристаллы. Первоначально казалось, что кремниевая пластина, покрытая толстым слоем диоксида кремния, препятствует росту алмаза. Но в одном эксперименте капля жидкого галлия перетекла через край пластины, растворив часть обнаженного чистого кремния. Когда позже они заглянули в затвердевший металл, они обнаружили скопление крошечных кристаллов алмаза.
Как сообщает в журнале Nature команда Руоффа, исследователи усовершенствовали рецепт, используя небольшой тигель, содержащий смесь жидкого галлия, железа, никеля и кремния, нагретую до 1025°C и подвергающуюся воздействию газов метана и водорода. Никаких затравочных кристаллов или дополнительного давления не требовалось. Металлы растворяют углеродный газ, а кремний, по-видимому, каким-то образом помогает атомам углерода связываться друг с другом в пирамидальном расположении алмаза.
«Если мы не добавим немного кремния, мы не получим алмаз», — говорит Руофф.
Для будущих приложений самый большой вопрос сейчас заключается в том, насколько далеко можно продвинуть эту технику. Команда Руоффа уже использовала его для создания алмазных пленок, состоящих из тысяч крошечных кристаллов, расположенных бок о бок. Чиральдо отмечает, что такие пленки уже можно изготавливать при низком давлении с помощью развитой технологии, называемой химическим осаждением из паровой фазы, но для этого требуется более дорогое оборудование для производства полупроводников. Множество кристаллов также может ухудшить работу электроники, изготовленной из пленок. Руофф надеется, что эта технология в конечном итоге позволит создавать тонкие пленки, состоящие из одного слоя чистого алмаза.
Тем временем, по прогнозам Руоффа, многие другие лаборатории начнут экспериментировать с новым рецептом легкого запекания алмазов.
«Многие лаборатории по всему миру начнут что-то готовить», — говорит он.
