Diamanter är vackra ädelstenar, som tack vare sin skimrande gnistra och transparens ser bra ut i smycken, men rådiamanter är mycket mer intressanta ur vetenskaplig synvinkel. Diamantens fysikaliska och kemiska egenskaper har gjort den till en kritisk komponent för många enheter inom optik och elektronik.
Ett av de lovande forskningsområdena för diamantteknologiska tillämpningar är diamantytmetallisering, som används för att ge diamantytan nya egenskaper såsom överlägsen värmeledningsförmåga, god värmestabilitet, förbättrad vätbarhet och dess ursprungliga fysikaliska och kemiska egenskaper.
En grupp forskare från Skoltech, Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences och andra ledande vetenskapliga organisationer har hittat ett sätt att förbättra diamantvidhäftningen – bindningen mellan diamant och övergångsmetall – med hjälp av niob. Studien publicerades i Journal of Alloys and Compounds .
"Diamant har två begränsningar relaterade till syntesen av stora diamantsubstrat och dålig vidhäftning av metallkontakter till diamantytan. Till exempel, när vi arbetade med detektorer för joniserande strålning och applicerade kontakter gjorda av guld och andra material, vidhäftningen av Sådana kontakter med diamant var mycket dåliga. Vid den tidpunkten undrade vi hur vi kunde övervinna en sådan dålig vidhäftning, förklarade Stanislav Evlashin, medförfattare till studien och biträdande professor vid Skoltechs Material Center.
Ett av de mest effektiva sätten att metallisera diamanter är att sintra den med metaller som titan, krom, tantal, zirkonium och andra. När de interagerar med kol bildas ett lager av metallkarbid. Författarna till studien valde niob på grund av dess förmåga att bilda kemiskt stabila filmer av niobkarbider på diamantytan.
"Vi försökte skapa en supraledare på diamantytan och insåg att om vi avsätter niob på den och sedan glödger den, sker följande fasomvandlingar under glödgningen:niobfilmen efter uppvärmning förvandlas till Nb₂C-föreningen och efter ytterligare uppvärmning över 1200 grader – till NbC", fortsätter Stanislav Evlashin.
"Teoretiska beräkningar av det konstanta gittret av niobkarbid beroende på koncentrationen av koldefekter - ofta i experimentet finns det en kolbrist - har visat att den använda metoden för syntes av niobkarbid på diamant gör det möjligt att erhålla högkvalitativ niobkarbid med en gitterparameter nära defektfritt material", säger Alexander Kvashnin, medförfattare till studien och professor vid Energy Transition Center.
"Beräkningar av de supraledande egenskaperna hos niobkarbid visade en supraledande övergång vid en temperatur på 19,4 K, vilket visade sig ligga nära det experimentellt uppmätta värdet. Resultaten indikerar också den höga kvaliteten på den experimentellt erhållna filmen."
"Noterbart leder den låga koncentrationen av defekter i den erhållna niobkarbidfilmen till tillräckligt höga värden på elektrondiffusion, jämfört med andra niobbaserade legeringar. Och detta, tillsammans med de observerade supraledande egenskaperna, är av praktiskt intresse för kvantdetektionsanordningar, ", tillade Anna Kolbatova, medförfattare till studien och forskare vid Moscow Pedagogical State University.
Forskarna bevisade att det erhållna niobkarbidskiktet har supraledande egenskaper. Om denna film appliceras på diamantytan kommer det att vara möjligt att skapa superkänsliga detektorer på grund av dess höga värmeledningsförmåga. Diamantens höga värmeledningsförmåga hjälper till att upptäcka signaler – det skulle ske mycket snabbare än med andra material.
Studien omfattade två projekt. Det första projektet, "Undersökning av effekten av legeringselement på de elektrokemiska egenskaperna hos nanostrukturerade kolmaterial för att skapa lovande strömkällor", syftar till att få resultat som kan användas för att skapa elektrokemiska källor av en ny generation. Det andra projektet, "En ny generation av kvantdetektorer och enstaka fotonkällor baserade på tvådimensionella Van der Waals-strukturer", syftar till att utveckla enheter för kvantdetektering, som borde överträffa de traditionella.
Bland dem som också bidrar till studien är Julia Bondareva, Fedor Fedorov, Alexander Egorov och Nikita Matsokin.
Mer information: R.A. Khmelnitsky et al, Syntes och karakterisering av tunna filmer av niobkarbid på diamantyta för supraledande applikation, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI:10.1016/j.jallcom.2023.173266.
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
