Fysiker från University of Alabama i Birmingham har tagit det första steget i ett femårigt försök att skapa nya föreningar som överträffar diamanter i värmebeständighet och nästan konkurrerar med dem i hårdhet.
De stöds av en femårig, 20 miljoner dollar National Science Foundation -utmärkelsen för att skapa nytt material och förbättra teknik med hjälp av det fjärde tillståndet - plasma.
Plasma – till skillnad från de andra tre tillstånden av materia, fast, vätska och gas - existerar inte naturligt på jorden. Denna joniserade gasformiga substans kan framställas genom uppvärmning av neutrala gaser. I labbet, Yogesh Vohra, en professor och universitetslärare vid UAB Department of Physics, använder plasma för att skapa tunn diamantfilm. Sådana filmer har många möjliga användningsområden, såsom beläggningar för att göra konstgjorda leder långvariga eller för att bibehålla skärpan i skärverktyg, utveckla sensorer för extrema miljöer eller skapa nya superhårda material.
För att göra en diamantfilm, Vohra och kollegor strömmar en blandning av gaser in i en vakuumkammare, värmer dem med mikrovågor för att skapa plasma. Lågtrycket i kammaren motsvarar atmosfären 14 miles ovanför jordens yta. Efter fyra timmar, ångan har avsatt en tunn diamantfilm på sitt mål.
I ett papper i tidningen Material , Vohra och kollegor vid UAB College of Arts and Sciences undersökte hur tillsatsen av bor, medan du gör en diamantfilm, ändrade egenskaper hos diamantmaterialet.
Det var redan känt att om gaserna är en blandning av metan och väte, forskarna får en mikrokristallin diamantfilm som består av många små diamantkristaller som i genomsnitt är cirka 800 nanometer stora. Om kväve tillsätts till den gasblandningen, forskarna får nanostrukturerad diamant, består av extremt små diamantkristaller som i genomsnitt bara är 60 nanometer stora.
I föreliggande studie, Vohra -teamet lade till bor, i form av diboran, eller B2H6, till väte/metan/kväve -matningsgasen och fann överraskande resultat. Kornstorleken i diamantfilmen ökade plötsligt från 60-nanometern, nanostrukturerad storlek sett med vätgas/metan/kväve matargas till en 800-nanometer, mikrokristallin storlek. Vidare, denna förändring inträffade med bara små mängder diboran, bara 170 delar per miljon i plasma.
Med hjälp av optisk emissionsspektroskopi och varierande mängder diboran i matargasen, Vohras grupp fann att diboranen minskar mängden kol-kväve-radikaler i plasma. Således, Vohra sa, "vår studie har tydligt identifierat kol-kväve-arters roll vid syntesen av nanostrukturerad diamant och undertryckande av kol-kväve-arter genom tillsats av bor till plasma."
Eftersom tillsatsen av bor också kan ändra diamantfilmen från en icke -ledare till en halvledare, UAB -resultaten erbjuder en ny kontroll av både diamantfilmkornstorlek och elektriska egenskaper för olika applikationer.
Under de närmaste åren, Vohra och kollegor kommer att undersöka användningen av mikrovågsugnen plasma kemisk ångavsättningsprocess för att göra tunna filmer av borkarbider, bornitrider och kol-bor-kväveföreningar, letar efter föreningar som överlever värme bättre än diamanter och som också har en diamantliknande hårdhet. I närvaro av syre, diamanter börjar brinna vid ungefär 1, 100 grader Fahrenheit.
